맞춤형 불소 유리에 초고속 레이저로 새겨진 도파관: 중도층을 가능하게 하는 기술

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14674(2022) 이 기사 인용

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섬유 기반 중적외선 포토닉스에 사용되는 표준 재료인 불화지르코늄(ZBLAN) 유리를 펨토초 레이저 직접 기록을 통해 높은 굴절률 대비 저손실 도파관 제작이 가능하도록 재설계했습니다. 우리는 순수한 ZBLAN과 달리 초고속 레이저 각인 동안 하이브리드 지르코늄/하프늄(Z/HBLAN) 유리에서 10-2에 가까운 양의 지수 변화가 유도될 수 있음을 입증하고 이것이 전자 구름 왜곡 효과로 설명될 수 있음을 보여줍니다. 이는 대조적인 편광성을 갖는 두 개의 유리 형성제의 존재에 의해 주도됩니다. 12μm만큼 작은 모드 필드 직경(MFD)으로 잘 제한된 3.1μm 파장 모드를 지원하는 높은 개구수(NA) 유형 I 도파관이 성공적으로 제작되었습니다. 이러한 발견은 기존 ZBLAN 광섬유에 쉽게 연결될 수 있는 중적외선 통합 광자 장치 제조의 가능성을 열어줍니다.

실리카 유리를 기반으로 한 광섬유 기술은 가시광선 및 근적외선 생성을 위한 강력하고 효율적인 통합 플랫폼을 제공함으로써 통신 및 제조(예: 레이저 절단 및 용접)와 같은 다양한 응용 분야에 혁명을 일으켰습니다. 그러나 약 2.5μm보다 긴 파장의 경우 실리카 섬유는 사실상 불투명해지며 대체 연질 유리 재료를 사용해야 합니다. 지난 몇 년 동안 ZBLAN 유리1를 기반으로 한 불소 섬유 기술은 큰 가능성을 보였으며 이제 마침내 중적외선2에서 유사한 혼란을 일으킬 준비가 되어 있는 성숙 단계에 도달했습니다. 예를 들어, 중적외선의 섬유 기반 초연속 광원은 파장 범위와 싱크로트론의 밝기를 갖춘 전자기 복사를 생성할 수 있으면서도 탁상용 기기3의 설치 공간을 차지하므로 신호를 이용한 빠른 스펙트럼 매핑이 가능합니다. 싱크로트론 소스를 사용하여 더 짧은 획득 시간에 달성할 수 있는 수준을 능가하는 SNR(대잡음비)4. 그러나 중적외선 기술이 진정으로 파괴적인 기술이 되기 위해서는 현장 배포 가능한 시스템, 즉 순전히 실험실 기반 증명과는 완전히 대조적으로 혹독하고 때로는 극한의 환경 조건에서도 작동할 수 있는 시스템의 개발이 필요합니다. 원칙적인 도구가 필요합니다. 이를 위한 전제조건은 연결형(즉, 광섬유 피그테일형)의 가용성이며 따라서 스플리터, 커플러, 순환기 및 파장 선택 요소와 같은 작고 견고한 통합 광학 구성 요소를 예로 들 수 있습니다. 이 모든 것은 근적외선에서 작동하는 실리카 유리 기반 시스템에 대해 "기성품"으로 쉽게 사용할 수 있지만, 중적외선에 해당하는 구성 요소는 높은 열팽창, 흡습성 및 가파른 점도 문제로 인해 여전히 대부분 누락되어 있습니다. 불화물을 포함한 대부분의 중적외선 물질에 대한 온도 곡선. 또한 현재까지 접합 장치 제조업체는 연질 유리 전용 장비를 제공하지 않으므로 불소 섬유를 최적의 조건에서 처리하기 위해 약 250~350°C에 필요한 고온 제어를 얻기가 어렵습니다5,6. 이 연구에서 우리는 이 근본적인 문제에 대한 잠재적인 해결책을 제시합니다.

ULI(Ultrafast Laser Inscription)는 다양한 유리 내부에 매립된 광 도파관을 제작하기 위해 잘 연구되고 활용되는 기술입니다. 이 방법은 "중적외선 병목 현상"을 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있지만 표준 ZBLAN 유리는 ULI 동안 유도된 양/음 지수 변화가 매우 제한적으로만 반응하는 것으로 나타났습니다. 따라서 보고된 거의 모든 ULI ZBLAN 장치는 다음을 기반으로 합니다. 우울한 클래딩 비문 접근 방식으로 NA가 낮고 모드 영역이 넓습니다8,9. 이러한 구조는 활성 ZBLAN 안경에서 도파관 레이저를 생성하는 데 성공적으로 사용되었지만 높은 NA 중간 적외선 광섬유에 대한 낮은 손실 및 모드 매칭이 필요한 다른 광학 구성 요소를 실현하는 데는 유용성이 제한되어 있습니다. 슬릿 성형 기술을 포함하여 ZBLAN 유리 내에서 굴절률을 조정하는 데 사용되는 모든 기술에 대한 자세한 내용은 참조 11에서 확인할 수 있습니다. 납-게르마네이트(12), 갈로-게르마네이트(13), 텔루라이트(14) 및 칼코겐화물(15,16)과 같은 기타 중적외선 투명 재료는 이 파장 영역에서 레이저 새겨진 도파관의 기판으로 사용되었습니다. 이 그룹 내에서 갈륨 란타늄 황화물(GLS) 유리는 더 긴 파장(>3μm)에서 저손실 도파관을 입증하는 데 가장 매력적인 유리입니다. 그러나 이러한 모든 유리는 본질적으로 굴절률이 높기 때문에 굴절률이 낮은 불화물 섬유 구조에 결합 손실이 높습니다. 결합 손실을 줄이기 위해 중간 단계가 설계되더라도, 상기 재료와 불소 섬유 사이의 열팽창계수(CTE)의 큰 차이로 인해 고전력 응용 분야에 추가적인 열 관리 문제가 발생합니다. ZBLAN 유리의 CTE는 \(\about\) 18 × 10\(^{-8}\) K\(^{-1}\)18인 반면 GLS의 경우 CTE는 2자리 이상 더 높습니다 \(\ 약\) 6 × 10\(^{-6}\) K\(^{-1}\)19.