Guias de ondas ultrarrápidas com laser em vidros de flúor personalizados: uma tecnologia capacitadora para

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 14674 (2022) Citar este artigo

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O vidro de fluoreto de zircônio (ZBLAN), o material padrão usado na fotônica de infravermelho médio baseada em fibra, foi reprojetado para permitir a fabricação de guias de onda de baixa perda e alto índice de contraste por meio da gravação direta a laser de femtosegundo. Demonstramos que, em contraste com o ZBLAN puro, uma mudança de índice positiva próxima de 10−2 pode ser induzida em vidros híbridos de zircônio/háfnio (Z/HBLAN) durante a inscrição a laser ultrarrápida e mostramos que isso pode ser explicado por um efeito de distorção de nuvem de elétrons que é impulsionado pela existência de dois formadores de vidro com polarizabilidade contrastante. Guias de onda tipo I de alta abertura numérica (NA) que suportam um modo de comprimento de onda bem confinado de 3,1 μm com um diâmetro de campo de modo (MFD) tão pequeno quanto 12 μm foram fabricados com sucesso. Essas descobertas abrem as portas para a fabricação de dispositivos fotônicos integrados de infravermelho médio que podem ser facilmente associados às fibras ZBLAN existentes.

A tecnologia de fibra óptica baseada em vidro de sílica revolucionou campos de aplicação tão diversos como telecomunicações e manufatura (por exemplo, corte e soldagem a laser), fornecendo uma plataforma integrada robusta e eficiente para a geração de luz visível e infravermelha próxima. No entanto, para comprimentos de onda superiores a cerca de 2,5 μm, as fibras de sílica tornam-se virtualmente opacas e materiais alternativos de vidro macio devem ser usados. Nos últimos anos, a tecnologia de fibra de flúor baseada em vidro ZBLAN1 mostrou-se muito promissora e agora finalmente atingiu um estágio de maturidade em que está prestes a iniciar uma interrupção semelhante no infravermelho médio2. Por exemplo, fontes supercontínuas baseadas em fibra no infravermelho médio são capazes de gerar radiação eletromagnética com uma cobertura de comprimento de onda e o brilho de um síncrotron, mas com a pegada de um instrumento de mesa3, permitindo assim um rápido mapeamento espectral com um sinal- relação ao ruído (SNR) que supera a alcançável com uma fonte síncrotron e em um tempo de aquisição mais curto4. No entanto, para que a tecnologia de infravermelho médio se torne uma tecnologia verdadeiramente disruptiva, o desenvolvimento de sistemas implantáveis ​​em campo, ou seja, sistemas que são capazes de operar sob condições ambientais severas e às vezes até extremas, em total contraste com testes puramente baseados em laboratório. instrumentos de princípio, é necessária. Um pré-requisito para isso é a disponibilidade de componentes ópticos integrados conectorizados (ou seja, com fibra trançada) e, portanto, compactos e robustos, como divisores, acopladores, circuladores e elementos seletivos de comprimento de onda, para citar apenas alguns. Embora todos estes estejam prontamente disponíveis "off-the-shelf" para sistemas baseados em sílica-vidro operando no infravermelho próximo, os componentes equivalentes para o infravermelho médio ainda estão em falta devido aos desafios de alta expansão térmica, higroscopicidade e alta viscosidade. curva de temperatura para a maioria dos materiais infravermelhos médios, incluindo fluoretos. Além disso, até o momento, os fabricantes de dispositivos de emenda não oferecem equipamentos totalmente dedicados a vidros macios, portanto, é difícil obter o controle de alta temperatura necessário em torno de 250–350 °C para processar em condições ideais com fibras de flúor5,6. Neste trabalho, apresentamos uma possível solução para este problema fundamental.

Ultrafast Laser Inscription (ULI) é uma técnica bem estudada e utilizada para a fabricação de guias de ondas ópticas enterradas dentro de vários vidros diferentes7. Embora o método tenha o potencial de resolver o "gargalo do infravermelho médio", o vidro ZBLAN padrão demonstrou responder apenas com uma alteração de índice positivo/negativo induzida muito limitada durante o ULI e, como tal, praticamente todos os dispositivos ULI ZBLAN relatados são baseados em uma abordagem de inscrição de casca deprimida, resultando em baixo NA, orientação de área de modo grande8,9. Essas estruturas foram usadas com sucesso para produzir lasers de guia de onda em vidros ZBLAN ativos10, mas são de utilidade limitada na realização de outros componentes ópticos onde é necessária baixa perda e correspondência de modo com fibras ópticas de infravermelho médio de alto NA. Um detalhe exaustivo de todas as técnicas usadas para adaptar o índice de refração dentro do vidro ZBLAN, incluindo a técnica de modelagem de fenda, pode ser encontrado em ref11. Outros materiais transparentes no infravermelho médio, como germanatos de chumbo 12, galo-germanatos13, teluritos14 e calcogenetos15,16, têm sido usados ​​como substratos para guias de onda inscritos a laser nesta região de comprimento de onda. Dentro desse grupo, o vidro de sulfeto de gálio-lantânio (GLS) é o vidro mais atraente para demonstrar guiamento de onda de baixa perda em comprimentos de onda mais longos (>3 μm)17. Mas todos esses vidros têm índice de refração inerentemente alto, o que introduz altas perdas de acoplamento nas arquiteturas de fibra de flúor de índice mais baixo. Mesmo que um estágio intermediário seja projetado para reduzir as perdas de acoplamento, a grande diferença no coeficiente de expansão térmica (CTE) entre os referidos materiais e as fibras de flúor introduz problemas adicionais de gerenciamento térmico para aplicações de alta potência. O CTE de um vidro ZBLAN é \(\approx\) 18 × 10\(^{-8}\) K\(^{-1}\)18, enquanto para GLS é mais de duas ordens \(\ aprox\) 6 × 10\(^{-6}\) K\(^{-1}\)19.