受動/能動デュアル導波路作製にフェムト秒レーザ描画

November, 20, 2024, Northbrook--ブラジルUSPの研究チームは、超短レーザパルスを使用してガラスに二重導波路を生成できることを示した。ガラスに希土類イオンをドープすると、導波路を使用して、直線、曲線、および「Y」形状の両方で低損失のレーザ増幅を実現できる。この進歩により、新しいタイプの小型でポータブルなフォトニックデバイスを実現できる可能性がある。

ブラジルのIPENのWagner de Rossiは、2024年11月10日～14日までメキシコのプエルトバジャルタで開催されたLatin America Optics and Photonics Congressでこの研究を発表した。

コスト効率、コンパクト、簡素であることから、導波路は小型フォトニックデバイスの光を導くためによく使用される。新しい研究では、研究チームは、重金属酸化物をドープしたガラスにアクティブおよびパッシブの両方の二重導波路を作成する方法を開発した。

「これらのガラスは比較的安価で、非線形屈折率が高く、可視光から赤外線までの透過ウィンドウが広い。製造のシンプルさ、材料の優れた光学特性、低コスト、およびその汎用性により、これらのガイドは光通信アンプ、ビームスプリッタ、光マイクロ流体システム、コンパクトな干渉計などでの使用に適している」とde Rossiは説明している。

導波路を作成するために、研究チームはゲルマネートガラスとテルライトガラスの表面下にフェムト秒レーザパルスを集束させ、重なり合ったパルスの軌跡を形成した。球面収差や自己集束効果により、これらの軌跡は薄くて高い壁となり、屈折率が低下し、航跡内での誘導が妨げられる。そのため、間隔の狭い一対の壁を使用して、それらの間の光を導いた。チームは、直線ガイドと曲線ガイドを作成し、パルスあたりのエネルギーとオーバーラップするパルスの数を変化させて、ガイドモードを最適化し、損失を減らした。その結果、レーザ描画に10kHzの繰り返し周波数を使用した場合、行間が10µm、エネルギーが1パルスあたり30µJ、スキャン速度が1mm/sの場合、最適な条件が発生することがわかった。

レーザ増幅を達成するために、チームはネオジムとエルビウム/イッテルビウムをドープしたゲルマン酸ガラスに二重導波路を作成した。ネオジムドープガラスは、1310nmで3.6dB/cmのゲインを示し、805nmで1.6mWのポンプ出力を示した。Er/Ybドープガラスは、1550nmで7.5dB/cmのゲインを示し、980nmで105mWのポンプ出力を示した。また、ネオジムドープゲルマン酸ガラスに銀ナノ粒子を組み込むと、導波路の利得と誘導性能が大幅に向上することも確認した。