High-speed processing of low-loss optical waveguides by controlling the distribution of electron excitation using spatial light modulation

通过空间光调制控制电子激发分布来高速处理低损耗光波导

基本信息

批准号：
22K20399
负责人：
吉崎れいな
金额：
$ 1.83万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-08-31 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

超短パルスレーザによる透明材料への改質書き込みは光集積回路制作に必須の技術であるが，改質は透明材料内のレーザの非線形伝搬・吸収の結果生じるため，改質領域の能動的な制御が難しく，低損失な光導波路の高効率書き込みは実現していない．本研究は，超短パルスレーザ照射による透明材料への改質書き込みにおいて，改質領域の空間制御を実現し，低損失な光導波路の高効率書き込みを達成することを目的としている．当該年度にはまず超短パルスレーザによって生じる透明材料内の電子励起領域分布と，結果生じる改質分布（屈折率分布）を定量的に明らかにした．具体的には，超短パルスレーザによって生じる励起電子密度を測るポンププローブ観察の機能と，加工直後の屈折率を測定するマッハツェンダー干渉計測法の機能とを組み込み，同一箇所で加工・測定ができる光学系を構築した．ポンププローブで観察された二次元の影絵（吸光度のマッピング）は，アーベル変換によって三次元の電子励起密度分布に変換される．マッハツェンダー干渉計で取得された干渉縞画像は，位相情報の抽出によって二次元の位相分布画像に変換され，同様のアーベル変換によって三次元の屈折率分布を得る．定量計測結果を踏まえた加工条件を用いて，α水晶内に従来研究結果と比較して20倍以上高速な1.5 mm/sで，伝搬損失2.8 dB/cmの導波路書き込みに成功した．ここでは空間光変調器による二点同時集光を用いたシングルスキャン書き込みによって高速化を達成した．ただし，伝搬損失の達成目標は1 dB/cm未満であり，改善が必要である．この伝搬損失は，光導波路書き込み時の多数パルス照射に起因するクラックが原因であるため，今後多パルス照射の影響を解明することでクラック抑制ひいては伝搬損失の低減を行っていく．

利用超短脉冲激光向透明材料写入改性是光集成电路生产的一项重要技术，但由于改性是由于激光在透明材料内的非线性传播和吸收而发生的，因此需要主动写入改性的材料。控制困难，并且尚未实现低损耗光波导的高效写入。本研究的目的是利用超短脉冲激光照射对透明材料进行写入改性，实现改性区域的空间控制，实现低损耗的光波导高效写入。在本财年，我们首次定量阐明了超短脉冲激光产生的透明材料中的电子激发区域分布以及由此产生的改性分布（折射率分布）。具体来说，它结合了测量超短脉冲激光产生的激发电子密度的泵浦探针观察功能和在加工后立即测量折射率的马赫-曾德干涉测量功能，允许在同一位置进行加工和测量。构建了光学系统。用泵浦探针观察到的二维阴影图（吸光度映射）通过阿贝尔变换转换成三维电子激发密度分布。通过提取相位信息将马赫-曾德干涉仪获得的干涉条纹图像转换为二维相位分布图像，并通过类似的阿贝尔变换得到三维折射率分布。利用基于定量测量结果的加工条件，我们成功地以1.5毫米/秒的速度在α晶体中写入波导，这比之前的研究成果快了20倍以上，传播损耗为2.8分贝/厘米。在这里，我们通过使用空间光调制器同时两点聚焦的单扫描写入实现了高速。然而，要实现传播损耗小于1 dB/cm的目标，还需要改进。该传播损失是由于光波导写入时的多次脉冲照射所产生的裂纹而引起的，因此我们将通过阐明多次脉冲照射的效果来抑制裂纹并降低传播损失。