超短脈沖激光在摻Er3+磷酸鹽玻璃中制備光波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)研究

白 晶,龍學(xué)文

(1.太原師范學(xué)院 物理系,晉中 030619; 2.太原師范學(xué)院 計(jì)算與應(yīng)用物理研究所,晉中 030619;3.湖南醫(yī)藥學(xué)院,懷化 418000)

1 引 言

集成光學(xué)是將眾多不同功能的光子器件集成在一個(gè)很小尺度的區(qū)域內(nèi)，相較離散光學(xué)器件系統(tǒng)具有體積小，功耗低，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，是近年來光學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)研究方向.在眾多集成光子器件中，光波導(dǎo)[4，5]擔(dān)負(fù)著各個(gè)光子器件的互聯(lián)作用，而且其本身就是重要的光子器件，可以提供各種被動光子器件[6，7]功能和主動增益器件[8，9]功能.作為主動增益光子功能器件的波導(dǎo)激光器[10-12]和波導(dǎo)放大器[13-15]尤為受到關(guān)注，因?yàn)樗鼮檎麄€(gè)光路系統(tǒng)提供光源，決定了集成光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整體光路的集成度，是集成光學(xué)的核心器件.鑒于光波導(dǎo)可將光場束縛在幾微米甚至更小的尺度，波導(dǎo)激光器相比傳統(tǒng)體介質(zhì)激光器具有更高的光功率密度，更低的泵浦閾值等優(yōu)勢，因此如何制備高質(zhì)量的主動增益波導(dǎo)就成為了集成光學(xué)關(guān)鍵技術(shù)之一.

磷酸鹽基底玻璃在眾多氧化物激光介質(zhì)中，具有稀土離子溶解度高，不易出現(xiàn)熒光上轉(zhuǎn)換，熱傳導(dǎo)系數(shù)高，熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)并且已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[16-18].摻鉺磷酸鹽玻璃具有高摻雜濃度的增益離子、熒光壽命>1ms以及發(fā)射波段在1.55 μm通信波段附近等特點(diǎn)，可滿足高增益、高效率、緊湊結(jié)構(gòu)等集成光學(xué)的要求，是重要的主動增益器件制備材料.因此，如何在摻鉺磷酸鹽玻璃上制備高性能的光波導(dǎo)成為集成光學(xué)的一個(gè)重要課題.傳統(tǒng)的光波導(dǎo)制備方式有離子注入、離子交換等方式[19-25]，但是其工藝復(fù)雜，而且對環(huán)境要求很高，特別是制備過程還要借助于光學(xué)掩膜版等輔助手段才可以制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo).超短脈沖激光直寫波導(dǎo)技術(shù)是一種新興的波導(dǎo)制備手段，它依靠將高峰值功率的超短脈沖聚焦在幾微米的尺度內(nèi)，獲得極高的峰值功率密度，從而達(dá)到非線性吸收閾值，觸發(fā)材料產(chǎn)生劇烈的電離效應(yīng)，最終高能的等離子體與物質(zhì)晶格作用，部分修改了材料的微觀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了折射率的區(qū)域性修改，從而制備不同結(jié)構(gòu)的光子器件，這種技術(shù)工藝簡單，制備結(jié)構(gòu)靈活，對樣品和環(huán)境要求低，逐漸成為在集成光子器件領(lǐng)域一種便捷、有力的制作手段[26].采用這種加工手段已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)分束器[27]，波導(dǎo)耦合器[28]，波導(dǎo)光柵[29]，波導(dǎo)激光器和波導(dǎo)放大器[30-33]等光子功能器件.總之，超短脈沖制備光子功能器件技術(shù)為實(shí)現(xiàn)多功能集成光路提供了有效實(shí)現(xiàn)途徑.

本文詳細(xì)研究了重復(fù)頻率1 kHz，中心波長800 nm，脈沖寬度120 fs的超短脈沖激光在摻Er3+磷酸鹽玻璃內(nèi)部制備波導(dǎo)的參數(shù)窗口，討論激光參數(shù)和波導(dǎo)特性之間的關(guān)系.研究結(jié)果表明，采用狹縫整形焦點(diǎn)技術(shù)輔助20×顯微物鏡橫向刻寫，當(dāng)寫入脈沖激光能量固定為1.8 μJ時(shí)，光波導(dǎo)可以在寫入速度從10 μm/s至160 μm/s的窗口范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)固定寫入速度為40 μm/s時(shí)，直寫波導(dǎo)的脈沖能量范圍為1.6 μJ-2.0 μJ，而寫入波導(dǎo)的深度在距表面為125 μm-200 μm時(shí)，波導(dǎo)制備效果最佳.通過端耦合系統(tǒng)測得波導(dǎo)近場模式分布，結(jié)果顯示激光刻寫波導(dǎo)的近場模式分布對稱，導(dǎo)光特性良好.根據(jù)近場模式圖片采用有限差分方法計(jì)算了波導(dǎo)區(qū)域的折射率修改分布，所制備波導(dǎo)中折射率修改值最高為Δn=6.6×10-4.根據(jù)截?cái)鄿y量法，所制備波導(dǎo)的傳播損耗低至0.91 dB/cm.

2 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

波導(dǎo)制備實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，加工光源采用鈦藍(lán)寶石激光放大系統(tǒng)(Spitfire，Spectra Physics)，激光輸出參數(shù)為：重復(fù)頻率1 kHz，光譜寬度12 nm，中心波長800 nm，脈沖寬度120 fs.輸出的脈沖激光首先通過由800 nm的1/2 λ波片和800 nm的偏振器組成的能量調(diào)節(jié)器，精確控制加工脈沖激光的能量，加工透鏡之前由計(jì)算機(jī)控制的快門來控制激光對樣品的輻照時(shí)間，加工透鏡采用20×顯微物鏡 (Mitutoyo，work distance = 20 mm，NA = 0.42，f = 10 mm).實(shí)驗(yàn)采用的樣品為摻鉺磷酸鹽玻璃 (Er3+：2 % wt.，10 mm×8 mm×3.5 mm)，被固定在一個(gè)三維精密位移平臺(Physik Instrumente)上，可以平行于激光傳播方向或者垂直于激光傳播方向移動.這里要指出的是，由于實(shí)驗(yàn)采用垂直于激光傳播方向的橫向刻寫方式，所以在加工透鏡之前放置的狹縫起到了整形激光焦點(diǎn)形狀的作用.其位置在加工物鏡像方主平面后10 cm處，狹縫寬度為450 μm.文中所涉及到的加工激光的脈沖寬度和能量均為顯微物鏡之后測得.波導(dǎo)加工長度為9 mm，在波導(dǎo)兩端均與玻璃表面有500 μm間隙，避免了測試波導(dǎo)近場模式和插入損耗時(shí)兩端拋光處理.在波導(dǎo)上方通過CCD相機(jī)結(jié)合相位對比顯微鏡 (Olympus BX51)可以實(shí)時(shí)觀測加工過程及所制備波導(dǎo)的形貌等特征.近場模式測量采用經(jīng)典的端耦合裝置，光源采用非相干的LED光源及尾纖輸出的976 nm的半導(dǎo)體LD光源，通過f=13mm的短焦非球面鏡注入波導(dǎo)一端，在另一端用10 ×顯微物鏡將波導(dǎo)的近場模式成像到CCD相機(jī)，以獲得波導(dǎo)近場模式分布.

圖1 超短脈沖激光直寫波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.圖中樣品移動沿Y方向，CCD是電荷耦合器件，用于實(shí)時(shí)觀察波導(dǎo)刻寫過程.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 波導(dǎo)寫入?yún)?shù)窗口研究

波導(dǎo)的寫入制備主要由寫入脈沖的能量大小、波導(dǎo)與激光焦點(diǎn)的空間相對位移速度即寫入速度、寫入激光的脈沖寬度以及激光焦點(diǎn)在玻璃樣品中的深度位置等幾個(gè)重要參數(shù)決定.因此重點(diǎn)討論以上幾個(gè)參數(shù)對波導(dǎo)制備的影響，同時(shí)給出波導(dǎo)的制備參數(shù)范圍.

3.1.1寫入速度對波導(dǎo)形成的影響

寫入激光為超短脈沖放大系統(tǒng)輸出的超短脈沖激光，調(diào)節(jié)放大器壓縮光柵空間位置，控制注入至樣品表面的脈沖寬度為120 fs，并且將狹縫整形的激光焦點(diǎn)固定在樣品表面下200 μm，同時(shí)固定寫入激光的脈沖能量為1.8 μJ，采用不同的寫入速度制備波導(dǎo).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，當(dāng)寫入速度為10 μm/s時(shí)，制備波導(dǎo)形貌表現(xiàn)出明顯的損傷痕跡，在波導(dǎo)側(cè)面相位對比顯微圖片(PCM)圖片中顯示的激光刻寫痕跡中既有灰色的正折射率修改也有白色的負(fù)折射率修改，說明此時(shí)沉積到單位長度的脈沖能量過高，超過了材料損傷閾值，不僅有正折射率修改還出現(xiàn)了基底玻璃材料結(jié)構(gòu)的破壞，雖然后續(xù)波導(dǎo)近場模式測量顯示波導(dǎo)仍可導(dǎo)通，但是其不規(guī)則的形貌會增加波導(dǎo)的傳輸損耗；繼續(xù)增加寫入速度，在寫入速度為20 μm/s時(shí)，波導(dǎo)側(cè)面PCM圖顯示波導(dǎo)形貌規(guī)則且激光寫入?yún)^(qū)域?yàn)榛疑壽E，說明在此參數(shù)之下，僅出現(xiàn)折射率修改，激光焦點(diǎn)區(qū)域折射率修改為正值且均勻性較好；當(dāng)寫入速度提高至40 μm/s時(shí)，波導(dǎo)PCM圖顯示仍然保持均勻的灰色軌跡，其灰度略低于20 μm/s時(shí)的波導(dǎo)軌跡，這也說明沉積到單位長度的能量降低之后，對應(yīng)的波導(dǎo)正折射率修改會相應(yīng)降低；繼續(xù)增加波導(dǎo)寫入的速度至80 μm/s和160 μm/s，波導(dǎo)側(cè)面PCM均表現(xiàn)為規(guī)則均勻的灰色軌跡，只是灰度會隨速度增加而逐漸降低，但仍然為正折射率修改，定量的折射率修改規(guī)律會在下文中利用波導(dǎo)近場模式反推折射率進(jìn)行詳細(xì)的討論；若刻寫速度超過160 μm/s后，PCM圖片顯示激光焦點(diǎn)掃過區(qū)域內(nèi)幾乎沒有折射率修改，近場模式測量顯示對應(yīng)區(qū)域也沒有出現(xiàn)波導(dǎo)導(dǎo)通現(xiàn)象，說明此參數(shù)下的激光輻照量不足以引起波導(dǎo)正折射率的修改.因此，在寫入激光脈沖固定為1.8 μJ時(shí)，寫入速度的窗口范圍為10 μm/s-160 μm/s，在20 μm/s-80 μm/s范圍內(nèi)波導(dǎo)刻寫效果更佳.

圖2 寫入激光脈沖能量固定為1.8 μJ時(shí)，不同寫入速度下波導(dǎo)的側(cè)面PCM圖.

3.1.2寫入脈沖能量對波導(dǎo)形成的影響

保持寫入激光的脈寬仍然為120 fs，寫入深度距樣品表面仍為200 μm，控制寫入速度為40 μm/s，考察波導(dǎo)寫入脈沖能量對波導(dǎo)形成的影響.當(dāng)寫入脈沖能量低于1.6 μJ時(shí)，激光焦點(diǎn)軌跡上沒有任何折射率修改，說明激光能量不足以引起基底材料的折射率修改.增加脈沖能量至1.6 μJ，激光焦點(diǎn)軌跡區(qū)域出現(xiàn)了灰色痕跡代表的正折射率修改，如圖3(a)所示，說明能量已經(jīng)達(dá)到磷酸鹽基底玻璃折射率修改閾值；圖3(b)顯示脈沖能量為1.7 μJ時(shí)，波導(dǎo)的側(cè)面PCM圖，相較于1.6 μJ的脈沖能量對應(yīng)的波導(dǎo)側(cè)面PCM圖，波導(dǎo)軌跡的灰度值略微增加，這是因?yàn)槌练e的能量更多，帶來的正折射率修改更大；如圖3 (c)和 (d)所示，增加能量至1.8 μJ和1.9 μJ，波導(dǎo)區(qū)域的灰度值持續(xù)增加，說明增加能量有助于提高波導(dǎo)區(qū)域的折射率增加；當(dāng)脈沖能量增加至2.0 μJ時(shí)如圖3 (e)所示，波導(dǎo)軌跡上出現(xiàn)了部分損傷痕跡，說明此時(shí)激光脈沖能量過高，達(dá)到了材料結(jié)構(gòu)損傷閾值，出現(xiàn)不均勻分布的損傷，增加了波導(dǎo)的傳輸損耗.上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，波導(dǎo)對寫入激光脈沖能量極為敏感，其窗口范圍僅為1.6 μJ-2.0 μJ，其中在1.7 μJ-1.9 μJ范圍內(nèi)，波導(dǎo)制備效果更好.

圖3 寫入速度固定為40 μm/s時(shí)，不同脈沖能量下波導(dǎo)的側(cè)面PCM圖.

3.1.3寫入激光脈寬對波導(dǎo)形成的影響

實(shí)驗(yàn)中我們同樣討論了波導(dǎo)制備與寫入激光的脈沖寬度依賴關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光放大系統(tǒng)調(diào)節(jié)到最窄脈沖寬度120 fs時(shí)，所制備波導(dǎo)正折射率修改明顯且有較大的寫入速度窗口，但增加脈沖至150 fs以上之后，波導(dǎo)區(qū)域的折射率修改明顯降低且寫入速度窗口范圍縮小，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熔石英玻璃等硅酸鹽玻璃基底材料結(jié)果類似，均在<150 fs的窄脈寬時(shí)才會有明顯的正折射率修改，且激光脈沖脈寬窗口極窄，因此本實(shí)驗(yàn)將寫入激光的脈沖寬度固定為系統(tǒng)最窄輸出脈寬值120 fs，以獲得較好的波導(dǎo)制備效果.

3.1.4寫入深度對波導(dǎo)形成的影響

由于采用了橫向?qū)懭虢Y(jié)合狹縫整形技術(shù)，波導(dǎo)距表面的寫入深度也是需要考慮的重要參量，實(shí)驗(yàn)中采用了125 μm，200 μm，275 μm，325 μm以及375 μm五個(gè)不同深度的參數(shù)來研究其對波導(dǎo)制備特別是橫截面形貌的影響，圖4給出了不同深度的波導(dǎo)側(cè)面PCM圖片以及波導(dǎo)端面的形貌圖，可以看出125 μm和200 μm深度的波導(dǎo)，橫截面保持了較好的圓對稱性，隨著波導(dǎo)深度增加，橫截面對稱性逐漸降低，這是因?yàn)椴ＡП砻鎸劢辜す庥邢癫?，?00 μm以內(nèi)深度的焦點(diǎn)剛好球差最小，同時(shí)從側(cè)面PCM也可以看出，在此范圍內(nèi)所波導(dǎo)對應(yīng)的折射率修改更為明顯，也說明同樣的脈沖能量沉積在了更小的焦長范圍內(nèi)從而引起更大的折射率修改.因此寫入深度窗口最優(yōu)為125 μm-200 μm.

圖4 固定寫入激光脈沖能量為1.8 μJ和寫入速度為40 μm/s，不同寫入深度下波導(dǎo)橫截面形貌顯微鏡和側(cè)面PCM圖.

3.2 波導(dǎo)導(dǎo)模特性研究

除了以波導(dǎo)的側(cè)面PCM圖以及橫截面形貌圖來衡量波導(dǎo)的基本特性，波導(dǎo)的導(dǎo)光特性是衡量波導(dǎo)質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)，圖5 (a)和 (b)分別給出了以寫入激光脈沖能量為1.8 μJ和寫入速度為40 μm/s的參數(shù)所制備波導(dǎo)的非相干LED白光近場模式圖以及976 nm半導(dǎo)體激光近場模式圖.圖5 (a)中可以看到在可見光波段，波導(dǎo)導(dǎo)光良好，且橫截面形貌整齊均勻，沒有損傷痕跡.圖5(b)顯示波導(dǎo)在976 nm的近紅外激光波段，具有良好的導(dǎo)通特性，激光近場模式對稱，呈基模高斯分布，近場模式直徑約為17.8 μm(1/e2全寬度).

為了進(jìn)一步研究激光加工過程中對波導(dǎo)區(qū)域的折射率修改情況，本文基于有限差分方法[34]，根據(jù)波導(dǎo)近場模式強(qiáng)度分布，計(jì)算了波導(dǎo)橫截面折射率修改分布情況.圖6為根據(jù)圖5(b)所示的近場模式強(qiáng)度分布，反推計(jì)算了基底材料在1.8 μJ的寫入脈沖能量以及40 μm/s寫入速度條件下的折射率修改分布.由圖可以看到波導(dǎo)區(qū)域的折射率修改與近場模式類似，呈中心對稱分布，中心部分折射率修改最大值為Δn=4.76×10-4.隨著遠(yuǎn)離中心位置，其折射率修改量逐漸降低，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)能量分布仍呈高斯對稱分布，中心區(qū)域的脈沖峰值功率最高，由其帶來的非線性吸收和等離子體能量也越高，與基底材料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作用也就越強(qiáng)烈，引起的折射率修改也就越大，其折射率修改也呈對稱分布，直徑約為18 μm左右，與圖5 (b)所示的近場模式強(qiáng)度分布吻合.這里還值得注意的一點(diǎn)是，波導(dǎo)和基底的交界區(qū)域出現(xiàn)了環(huán)形的折射率降低修改區(qū)域 (圖6中顯示為藍(lán)色環(huán)狀區(qū)域)，其折射率低于基底材料的折射率，原因是，波導(dǎo)中心區(qū)域由于脈沖激光作用產(chǎn)生致密化現(xiàn)象，導(dǎo)致材料由波導(dǎo)邊緣向中心部分向內(nèi)壓縮，波導(dǎo)邊緣部分的材料密度降低，折射率下降，產(chǎn)生環(huán)形折射率降低區(qū)域.此現(xiàn)象同時(shí)會增加波導(dǎo)芯層和包層的折射率差值，提高波導(dǎo)對光的限制能力，有利于獲得良好的波導(dǎo)導(dǎo)光模式.

采用上文所述有限差分方法，根據(jù)波導(dǎo)近場強(qiáng)度分布，計(jì)算了不同寫入?yún)?shù)下所制備波導(dǎo)的折射率修改分布圖.圖7 (a)給出了在固定寫入脈沖能量為1.8 μJ條件下，不同寫入速度與所制備波導(dǎo)的折射率修改關(guān)系.可以看到，在寫入速度為10 μm/s時(shí)，激光刻寫波導(dǎo)的折射率中心最大值最高，達(dá)到5.97×10-4.隨著寫入速度逐漸增加，折射率修改最大值逐漸降低，這是由于寫入速度增加導(dǎo)致沉積到單位長度的脈沖能量降低，對區(qū)域內(nèi)折射率的修改也逐漸降低，對光束的限制能力也逐漸降低；當(dāng)寫入速度為160 μm/s時(shí)，折射率修改量低至1.5×10-4，如果繼續(xù)增加寫入速度，則激光焦點(diǎn)掃描痕跡內(nèi)折射率幾乎沒有修改，不會形成波導(dǎo).圖7(b)給出了固定寫入速度為40 μm/s條件下，不同寫入脈沖能量與所制備的波導(dǎo)的折射率修改關(guān)系.由圖可知，在寫入脈沖能量為1.6 μJ時(shí)，制備波導(dǎo)的中心折射率修改值最低，為3.36×10-4.隨著寫入脈沖能量逐漸增加，波導(dǎo)區(qū)域的折射率修改最大值也逐漸增加；當(dāng)脈沖能量為2.0 μJ時(shí)，可達(dá)到6.6×10-4，因?yàn)樵谙嗤瑢懭胨俣认?，提高脈沖能量可以增加波導(dǎo)區(qū)域沉積的激光能量，增加波導(dǎo)折射率修改幅度.當(dāng)脈沖能量低于1.6 μJ時(shí)，不足以引起材料折射率修改，當(dāng)脈沖能量超過2.0 μJ時(shí)，會出現(xiàn)材料損傷，引起傳輸損耗明顯增加.

圖7 (a)寫入激光脈沖能量固定為1.8 μJ時(shí)，波導(dǎo)折射率修改隨寫入速度的變化關(guān)系；(b)寫入速度固定為40 μm/s時(shí)，波導(dǎo)折射率修改隨寫入激光脈沖能量的變化關(guān)系.

3.3 波導(dǎo)傳輸損耗特性研究

實(shí)驗(yàn)中同一刻寫參數(shù)下分別制備了5 mm，6 mm，7 mm，8 mm，9 mm五種不同長度的波導(dǎo)，采用截?cái)鄿y量法評估所制備波導(dǎo)的傳輸損耗.各波導(dǎo)的入射端距樣品表面都保持500 μm的距離，各波導(dǎo)出射端口在樣品內(nèi)部不同位置，樣品兩側(cè)表面做拋光處理，減小測量誤差.在波導(dǎo)入射端口采用端耦合方式通過短焦透鏡(f=10 mm)對波導(dǎo)注入1030 nm激光，以避免Er3+離子在976 nm的吸收峰對傳輸損耗測量的影響，不同長度波導(dǎo)保持相同注入條件(相同功率激光和相同焦距注入透鏡)，成像所用CCD相機(jī)更換為激光功率計(jì)，測量各波導(dǎo)輸出端的激光功率，從而獲得各波導(dǎo)的插入損耗.圖8給出了以寫入脈沖能量為1.8 μJ，寫入速度為40 μm/s時(shí)制備的不同長度的波導(dǎo)插入損耗.對插入損耗數(shù)據(jù)做線性擬合，其斜率代表此參數(shù)所制備波導(dǎo)的傳輸損耗，即0.96 dB/cm，其截距1.56 dB代表制備波導(dǎo)的耦合損耗，耦合損耗是由于注入激光的模式和波導(dǎo)模式之間的差異以及樣品兩側(cè)表面的菲涅爾反射帶來的.

圖8 以寫入激光脈沖能量為1.8 μJ和寫入速度為40 μm/s所制備不同長度波導(dǎo)的插入損耗及傳輸損耗擬合.

根據(jù)上述截?cái)鄵p耗測量法，表1和表2分別給出了圖2和圖3中不同參數(shù)所制備波導(dǎo)的傳輸損耗.從表1中可以看出，寫入脈沖能量固定為1.8 μJ時(shí)，在20 μm/s-160 μm/s的寫入速度范圍內(nèi)，波導(dǎo)傳輸損耗隨著寫入速度增加而逐漸增加，這是因?yàn)椴▽?dǎo)寫入速度增加，對應(yīng)波導(dǎo)區(qū)域正折射率修改值逐漸降低，波導(dǎo)對光的限制能力也逐漸降低，波導(dǎo)模場直徑會逐漸增加，而更大的模場區(qū)域會帶來更多的散射損耗，從而傳輸損耗逐漸增加；而寫入速度為10 μm/s時(shí)，波導(dǎo)區(qū)域折射率修改更大，波導(dǎo)限制光能力更強(qiáng)，但是從圖2 (a)中PCM圖片可知，高能量脈沖的沉積同時(shí)會帶來部分區(qū)域出現(xiàn)損傷痕跡，這種損傷對于波導(dǎo)的均勻性影響明顯，會帶來更大的散射損耗.因此，波導(dǎo)傳輸損耗升高至1.91 dB/cm.表2中，波導(dǎo)寫入速度固定為40 μm/s，在1.6 μJ-1.9 μJ的寫入脈沖能量范圍內(nèi)，波導(dǎo)傳輸損耗隨著寫入脈沖能量增加而逐漸降低，這是由于波導(dǎo)寫入脈沖能量增加，超短脈沖激光對材料折射率修改值也逐漸增加，波導(dǎo)對光的限制能力逐漸提高，波導(dǎo)的模場直徑逐漸減小，較小的模場區(qū)域降低了對光的散射損耗，因此波導(dǎo)傳輸損耗逐漸降低；當(dāng)寫入脈沖達(dá)到2.0 μJ時(shí)，波導(dǎo)區(qū)域折射率修改更大，模場直徑更小，但是圖3(e)所示波導(dǎo)PCM圖片顯示波導(dǎo)軌跡出現(xiàn)部分損傷，這種損傷帶來了較大的散射損耗，波導(dǎo)傳播損耗增加至2.0 dB/cm.

表1 寫入激光脈沖能量為1.8 μJ，不同寫入速度制備波導(dǎo)對應(yīng)的傳播損耗

表2 寫入速度為40 μm/s，不同寫入激光脈沖能量制備波導(dǎo)對應(yīng)的傳播損耗

4 結(jié) 論

本文采用狹縫整形橫向?qū)懭敕绞?，用超短脈沖激光在摻Er3+磷酸鹽玻璃內(nèi)部制備了掩埋光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)研究了寫入脈沖能量、寫入速度、脈沖寬度以及刻寫深度對波導(dǎo)形成的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示寫入激光脈沖寬度為120 fs和寫入深度在125 μm-200 μm范圍時(shí)，波導(dǎo)制備效果最佳；在此參數(shù)下，控制寫入激光脈沖能量為1.8 μJ時(shí)，波導(dǎo)制備的寫入速度窗口為10 μm/s-160 μm/s；在寫入速度固定為40 μm/s時(shí)，波導(dǎo)制備的寫入脈沖能量窗口為1.6 μJ-2.0 μJ.近場模式測量結(jié)果表明波導(dǎo)導(dǎo)光性能良好，近場模式對稱分布.有限差分方法反推波導(dǎo)折射率分布顯示所制備波導(dǎo)中折射率修改值最高達(dá)到Δn=6.6×10-4.根據(jù)截?cái)鄿y量法評估波導(dǎo)傳播損耗，所制備波導(dǎo)的傳播損耗低至0.91 dB/cm.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在摻Er3+磷酸鹽玻璃內(nèi)部可以寫入低傳輸損耗的單模光波導(dǎo)，為下一步實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)激光器和波導(dǎo)放大器等主動光波導(dǎo)器件提供了有力技術(shù)支持.