Прямая запись волоконно-оптических компонентов в фотонно-кристаллических волокнах и других специальных волокнах

Введение

Фемтосекундная прямая лазерная запись оптических компонентов имеет большой потенциал для изготовления сложных интегрированных устройств в оболочке оптических волокон. Такие устройства обладают преимуществами перед традиционной оптикой: использование записанных компонентов снижает необходимость в сложной юстировке, устраняет вероятность загрязнений и повышает стабильность. Технология прямой записи уже нашла применение с использованием комбинаций решеток Брэгга, интерферометров и ответвителей для изготовления оптических фильтров, датчиков и мониторов мощности.

Волоконные разветвители и объединители Oz Optics с поддержкой поляризации заключены в герметичный корпус. Приборы специально разработаны для минимизации потерь в телекоммуникационных системах связи, возникающих при ослаблении сигнала при передаче в оптоволокно. Адаптеры способны работать в широком диапазоне температур, обеспечивая высокую производительность в различных сетях.

Метод фемтосекундной лазерной записи вызывает локальную модификацию показателя преломления за счет нелинейного поглощения сверхбыстрых лазерных импульсов внутри диэлектрического материала как в сердцевине, так и в оболочке волокна. Однако геометрические формы волокна, которые включают воздушные или полые структуры, такие как фотонно-кристаллические волокна (ФКВ), по-прежнему представляют проблему, поскольку области изменения показателя преломления, созданные в процессе записи, не могут быть созданы в полых областях волокна.

В этой работе описан метод записи фемтосекундным лазером, использующийся вместе с методом предварительной модификации, который заключается в частичном сжатии полых отверстий с помощью электрического дугового разряда. Ожидается, что этот новый подход найдет применение с другими специальными волокнами, таких как волокна с подвешенной сердцевиной, и может открыть путь для интеграции сложных устройств и облегчить миниатюризацию оптических схем, чтобы воспользоваться преимуществами конкретных характеристик фотонно-кристаллических волокон.

Прямая запись фемтосекундным лазером

Записанные в оптоволокне устройства, представленные в этой статье, изготовлены с помощью фемтосекундного лазера, работающего с частотой повторения 250 кГц, с длительностью импульса 75 фс на длине волны 800 нм и сфокусированными линзой с числовой апертурой 0,1.

Ступень трехмерного перемещения контролировала положение волокна относительно фокальной плоскости линзы, как показано на рис. 1, фокусируя приблизительно 4 мкДж энергии на импульс и перемещая волокно со скоростью 250 мкм/с.

Рисунок 1. Схема принципа записи фемтосекундным лазерным излучением, когда лазерный пучок сфокусирован внутри оптического волокна. На этой иллюстрации не учитываются другие эффекты фокусировки, искажения и аберрации, создаваемые цилиндрической формой самого волокна.

При таких условиях изготовления внутри волокна могут быть определены области с модифицированным показателем преломления превышающем показатель преломления оболочки. Волновые колебания могут взаимодействовать со светом, распространяющимся в сердцевине волокна. Этот метод не зависит от типа волокна и, в принципе, может применяться для производства интегрированных устройств на основе нескольких типов волокон, включая стандартные одномодовые (SM) волокна или волокна с сохранением поляризации (PM) с сердцевиной различных размеров и из различных материалов.

Профиль показателя преломления внутри волокон был измерен неразрушающим методом с помощью интерферометрической системы IFA-100, а волноводы, образованные измененной областью показателя преломления, были использованы для изготовления ответвителей, которые характеризовались прикреплением фотодетектора к краю оболочки оптического волокна.

Оптические ответвители в одномодовых волокнах

В одномодовых волокнах всегда существовала потребность в надежных делителях мощности для контроля передачи.

Традиционно этот контроль может осуществляться с помощью плавленых ответвителей, с помощью которых свет разделяется и собирается в монитор мощности в одном из выходных плеч ответвителя, после чего производятся измерения, пропорциональные оптической мощности в другом плече. Этот подход прост, однако конечные устройства могут быть большими (с длиной порядка десятков миллиметров), а области применения ограничены, поскольку этот метод нелегко применить к волокнам с размером сердцевины менее 4 мкм, в составе которых используется несколько слоев материалов.

Рисунок 2. (a) Вид сбоку на световод с фемтосекундным лазером, записанным волноводом, пересекающим сердцевину под произвольным углом; (b) Иллюстрация светового потока, распространяющегося в волокне, и небольшого участка, входящего в волновод оболочки и выходящего на краю волокна. Как и на рис. 1, на этом рисунке также игнорируются другие эффекты фокусировки, искажения и аберрации, создаваемые цилиндрической формой самого волокна.

С помощью метода записи фемтосекундным лазером перекрестный ответвитель может быть записан непосредственно внутри волокна и обеспечить достаточную связь для отслеживания оптической мощности, распространяющейся в сердцевине волокна. На рис. 2 показано такое устройство с волноводом, видимым сверху (плоскость, перпендикулярная направлению распространения пишущего лазера), пересекающим волокно через оболочку и сердцевину под небольшим углом. Индуцированные потери в сердцевине волокна и соответствующий коэффициент связи можно точно контролировать в пределах ±0,005 дБ, используя точное позиционирование волокна относительно фокуса лазера (±1 мкм) и точный контроль угла перекрестной связи (±0,002 рад).

Рисунок 3. Томографические изображения одномодового волокна, сделанные в трех разных точках вдоль оси волокна, с фемтосекундным волноводом, пересекающим сердцевину.

На рис. 3 показан профиль показателя преломления одномодового волокна с записанным волноводом. Величина изменения показателя преломления области, облученной фемтосекундным лазером, составляет ≈4·10⁻³ и сравнима с показателем преломления сердцевины. Несмотря на искажения и эллипсоидальную форму волновода, эта конфигурация обеспечивает одномодовое распространение, и слабо ограниченный свет может эффективно собираться на краю оболочки (рис. 2-б) с низкими избыточными потерями, что демонстрируется эффективностью более 80%.

Оптические ответвители в оптических волокнах с сохранением поляризации

Другими подходящими волокнами для метода записи лазером являются волокна, сохраняющие поляризацию.

На рис. 4 показаны примеры двух профилей показателя преломления, полученных для двух различных типов волокон, сохраняющих поляризацию. Образец слева представляет собой волокно, легированное германием, со стержнями типа Panda и оболочкой из плавленого кварца. Образец справа представляет собой волокно с сердцевиной из плавленого кварца, легированное фтором. В обоих случаях волновод показан в том месте, где он пересекает сердцевину, а плоскость поперечного волновода совмещена с быстрой осью волокна, это выравнивание способствует поддержанию коэффициента экстинкции.

Рисунок 4. Томографические изображения двух волокон с сохранением поляризации.

Оптические отводы в фотонно-кристаллических волокнах

Первоначально фотонно-кристаллические волокна (ФКВ) представляли конкретную проблему для записи фемтосекундными импульсами. Воздушные отверстия, создающие фотонную запрещенную зону (рис. 5), не были затронуты процессом лазерной записи и, следовательно, делали невозможным передачу света от сердцевины к оболочке волокна. Даже простое попадание в сердцевину фемтосекундного лазерного излучения может быть проблемой, поскольку воздушные отверстия искажают и препятствуют фокусировке лазерного света и созданию значимого перепада показателя преломления. Чтобы преодолеть эту проблему, был разработан дополнительный метод, заключающийся в частичном сжатии фотонной запрещенной структуры, что позволило соединить сердцевину с оболочкой. Для этой демонстрации использовалось волокно с сохранением поляризации.

Рисунок 5. Пример двух конфигураций фотонно-кристаллического волокна. (а) Простая сотовая структура с твердым сердечником, окруженным воздушными отверстиями, которые создают ограничение запрещенной зоны. (b) Фотонно-кристаллическое волокно с твердой сердцевиной и стержнями, поддерживающими поляризацию.

Ожидается, что этот метод будет применим к другим специальным волокнам, таким как волокна с подвешенным стержнем, где воздушные отверстия также являются ключевым компонентом структуры волокна, и поэтому подобное частичное сжатие может быть подходящим для эффективного доступа к сердцевине.

Рисунок 6. Схема способа изготовления волноводных ответвителей в фотонно-кристаллических световодах. (а) Структура фотонно-кристаллического волокна до записи. (b) Разряд электрической дуги перпендикулярно волокну. (c) Фотонно-кристаллическое волокно с изображением частично сжатых воздушных отверстий. (d) Фемтосекундная запись волновода в том месте, где частично сжатые воздушные отверстия создавали возмущение в структуре запрещенной зоны.

Рисунок 7. Микроскопические изображения фотонно-кристаллического волокна, демонстрирующие конечный результат метода изготовления. (а) Волокно с частично нарушенным сердечником и сужающейся оболочкой после разряда дугового заряда. (б) То же волокно, что и в (а), с фотодетектором на заднем плане. (c) и (d) Волокно, освещенное зеленым лазерным светом, показывающее рассеяние в месте расположения волновода.

Изображение частично сжатой области сердцевины можно увидеть на рис. 7-a с тем же волокном, сфотографированным поверх фотодетектора на рис. 7-б. Основываясь на этом изображении, можно оценить, что область воздействия имеет размер порядка 100 мкм, что близко диаметру волокна 125 мкм. На рисунках 7-c и рис. 7-d показано рассеяние зеленого света в месте расположения волновода.

Масляная иммерсия

Форму волноводов можно отрегулировать, изменив числовую апертуру фокусирующего объектива и используя масляную иммерсионную линзу с числовой апертурой 1,25 NA. На рисунке 8 показано сравнение между фокусировкой в волокне с низкой числовой апертурой (слева) и с масляной иммерсионной фокусировкой с высокой числовой апертурой (справа), когда вокруг сердечника были записаны три волновода. Фокусировка в волокне с высокой числовой апертурой создает большую интенсивность лазерного излучения в пятне фокусировки, что создает область с отрицательным показателем преломления над объемом с положительным показателем. Характеристики и преимущества масляной иммерсионной записи в фемтосекундных пучках не новы и изучались многими другими исследователями в прошлом. Тем не менее, здесь показано, что это жизнеспособная альтернатива для коммерческих приложений, улучшающая перспективы более высокой плотности интеграции и повышенной сложности устройства за счет более жестких требований к точности выравнивания.

Рисунок 8. Сравнение волноводов с числовой апертурой 0,1 (слева) и 1,25 (справа).

Рисунок 9. Подробный профиль показателя преломления волноводов с фемтосекундной записью с масляной иммерсионной линзой с высокой числовой апертурой на оболочке (слева) и частично перекрывающейся сердцевиной (справа).

Волновод с малой числовой апертурой на рис. 8 (слева) был записан параллельно сердцевине, но в той же плоскости, что и сердцевина, относительно направления распространения излучения фемтосекундного лазера. Эффекты расфокусировки и аберраций не позволяют этому методу записывать волноводы выше или ниже сердечника относительно положения фокусирующей линзы. Метод масляной иммерсии позволяет преодолеть это ограничение, как видно на рис. 8 (справа), где волноводы могут быть произвольно размещены в любом месте объема волокна для истинного метода трехмерной записи.

Подробный профиль показателя преломления волноводов с фемтосекундной записью и масляной иммерсионной линзой с высокой числовой апертурой показан на рис. 9. Все остальные параметры записи аналогичны тем, которые были описаны выше, за исключением линзы объектива,

Заключение

Волноводы, записанные с помощью фемтосекундного лазера, были успешно использованы для формирования ответвителя внутри фотонно-кристаллического волокна. Эти методы подходят для изготовления оптических отводов в одномодовых волокнах и оптических волокнах с сохранением поляризации. Авторы статьи предложили уникальный метод, благодаря которому стало возможно соединение сердцевины с оболочкой волокна. Подобная демонстрация проведена впервые. Ответвители показали эффективность более 60%.

© OZ Optics

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Oz Optics на территории РФ