Guides d'ondes laser ultra-rapides inscrits dans des verres fluorés sur mesure : une technologie habilitante pour le milieu - Changchun ClearFrontier Technologies Group Co., Ltd

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14674 (2022) Citer cet article

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Le verre au fluorure de zirconium (ZBLAN), le matériau standard utilisé dans la photonique infrarouge moyen à base de fibres, a été repensé pour permettre la fabrication de guides d'ondes à faible perte et à contraste d'indice élevé via une écriture directe par laser femtoseconde. Nous démontrons que contrairement au ZBLAN pur, un changement d'indice positif proche de 10−2 peut être induit dans les verres hybrides zirconium/hafnium (Z/HBLAN) lors de l'inscription laser ultrarapide et montrons que cela peut s'expliquer par un effet de distorsion du nuage d'électrons cela est motivé par l'existence de deux formateurs de verre avec une polarisabilité contrastée. Des guides d'ondes de type I à ouverture numérique élevée (NA) prenant en charge un mode de longueur d'onde de 3,1 μm bien confiné avec un diamètre de champ de mode (MFD) aussi petit que 12 μm ont été fabriqués avec succès. Ces découvertes ouvrent la porte à la fabrication de dispositifs photoniques intégrés dans l'infrarouge moyen qui peuvent facilement être raccordés aux fibres ZBLAN existantes.

La technologie des fibres optiques à base de verre de silice a révolutionné des domaines d'application aussi divers que les télécommunications et la fabrication (par exemple la découpe et le soudage au laser) en fournissant une plate-forme intégrée robuste et efficace pour la génération de lumière visible et proche infrarouge. Cependant, pour des longueurs d'onde supérieures à environ 2,5 μm, les fibres de silice deviennent pratiquement opaques et des matériaux de verre tendre alternatifs doivent être utilisés. Au cours des dernières années, la technologie des fibres fluorées basée sur le verre ZBLAN1 s'est révélée très prometteuse et a enfin atteint un stade de maturité où elle est sur le point d'initier une perturbation similaire dans l'infrarouge moyen2. Par exemple, les sources de supercontinuum à base de fibres dans l'infrarouge moyen sont capables de générer un rayonnement électromagnétique avec une couverture de longueur d'onde et la luminosité d'un synchrotron, mais avec l'encombrement d'un instrument de table3, permettant ainsi une cartographie spectrale rapide avec un signal- un rapport sur bruit (SNR) supérieur à celui réalisable avec une source synchrotron et dans un temps d'acquisition plus court4. Cependant, pour que la technologie infrarouge moyen devienne une véritable technologie de rupture, le développement de systèmes déployables sur le terrain, c'est-à-dire de systèmes capables de fonctionner dans des conditions environnementales difficiles et parfois même extrêmes, à l'opposé de la preuve purement en laboratoire. instruments de principe, est nécessaire. Une condition préalable à cela est la disponibilité de composants optiques intégrés connecteurs (c'est-à-dire en fibre amorce) et donc compacts et robustes tels que des séparateurs, des coupleurs, des circulateurs et des éléments sélectifs en longueur d'onde, pour n'en nommer que quelques-uns. Bien que tous ceux-ci soient facilement disponibles "prêts à l'emploi" pour les systèmes à base de verre de silice fonctionnant dans le proche infrarouge, des composants équivalents pour l'infrarouge moyen manquent encore largement en raison des défis liés à la dilatation thermique élevée, à l'hygroscopicité et à la viscosité élevée. courbe de température pour la plupart des matériaux infrarouges moyens, y compris les fluorures. De plus, à ce jour, les fabricants de dispositifs d'épissage ne proposent pas d'équipements entièrement dédiés aux verres mous, il est donc difficile d'obtenir le contrôle de température élevé requis autour de 250-350 °C pour traiter dans des conditions optimales avec des fibres fluorées5,6. Dans ce travail, nous présentons une solution potentielle à ce problème fondamental.

L'inscription laser ultrarapide (ULI) est une technique bien étudiée et utilisée pour la fabrication de guides d'ondes optiques enterrés à l'intérieur de différents verres7. Alors que la méthode a le potentiel de résoudre le "goulot d'étranglement dans l'infrarouge moyen", il a été démontré que le verre ZBLAN standard ne répond qu'avec un changement d'indice positif/négatif induit très limité pendant l'ULI, et en tant que tel, pratiquement tous les appareils ULI ZBLAN signalés sont basés sur une approche d'inscription de gaine déprimée, résultant en un faible NA, un guidage de grande zone de mode8,9. Ces structures ont été utilisées avec succès pour produire des lasers à guide d'ondes dans des lunettes ZBLAN actives10, mais sont d'une utilité limitée dans la réalisation d'autres composants optiques où une faible perte et une adaptation de mode aux fibres optiques infrarouges moyennes à haute NA sont requises. Un détail exhaustif de toutes les techniques utilisées pour adapter l'indice de réfraction dans le verre ZBLAN, y compris la technique de mise en forme des fentes, peut être trouvé dans la réf11. D'autres matériaux transparents dans l'infrarouge moyen comme les germanates de plomb 12, les germanates de gallo13, les tellurites14 et les chalcogénures15,16 ont été utilisés comme substrats pour les guides d'ondes inscrits au laser dans cette région de longueur d'onde. Au sein de ce groupe, le verre au sulfure de gallium et de lanthane (GLS) est le verre le plus attrayant pour la démonstration du guidage d'ondes à faible perte à des longueurs d'onde plus longues (> 3 μm)17. Mais tous ces verres ont un indice de réfraction intrinsèquement élevé qui introduit des pertes de couplage élevées pour les architectures de fibres de fluorure d'indice inférieur. Même si un étage intermédiaire est conçu pour réduire les pertes de couplage, la grande différence de coefficient de dilatation thermique (CTE) entre lesdits matériaux et les fibres fluorées introduit des problèmes supplémentaires de gestion thermique pour les applications de forte puissance. Le CTE d'un verre ZBLAN est \(\approx\) 18 × 10\(^{-8}\) K\(^{-1}\)18, alors que pour GLS il est supérieur de plus de deux ordres \(\ environ\) 6 × 10\(^{-6}\) K\(^{-1}\)19.

Notre objectif était donc de développer une composition de verre compatible avec l'infrarouge moyen qui peut produire un changement d'indice de réfraction lisse, fort et positif lors de l'irradiation avec des impulsions laser ultrarapides qui pourraient ensuite être facilement intégrées à l'architecture de fibre de fluorure existante. Combiné à une stratégie d'inscription optimisée, ce verre pourrait alors être utilisé pour l'inscription de guides d'ondes avec des diamètres de champ de mode et des nombres V (V=\(\frac{2\pi }{\lambda }\) a × NA, où a est le rayon du guide d'onde) qui correspondent parfaitement à celles des fibres optiques fluorées existantes, permettant ainsi la fabrication de composants intégrés en fibre de cochon. Une communication récente de Heck et al.20 a rapporté un changement d'indice positif dans une fibre optique fluorée lors d'une irradiation avec des impulsions laser femtoseconde. Leurs découvertes, en particulier l'augmentation significative du changement d'indice positif lorsque l'inscription a été effectuée à l'interface entre le noyau et les matériaux de gaine de la fibre, étaient inexpliquées, mais intrigantes car elles suggéraient que l'ULI dans ces verres avait le potentiel d'être adapté à la composition. Dans le cas d'une fibre optique ZBLAN, un petit % molaire de zirconium (Zr) est remplacé par de l'hafnium (Hf) dans la gaine pour abaisser l'indice de réfraction du verre. L'une des conclusions à tirer des découvertes de Heck et al était donc que la variation de composition entre le zirconium (Zr) et l'hafnium dans le cœur et la gaine était responsable de la réponse inattendue à l'irradiation laser femtoseconde, donnant lieu à une petite région de changement d'indice positif. Nous avons signalé dans le passé que de forts gradients de concentration thermique et compositionnelle (cf. Section 5.3 in21) pourraient être deux facteurs déclenchant le changement d'indice de réfraction lors d'une irradiation avec des impulsions laser femtosecondes. Nous supposons que ceux-ci ont également joué un rôle dans les découvertes de Heck et al, en tant que focalisation aberrante et profils thermiques22 dus à l'inscription à travers la fibre courbe avec un gradient de concentration par étapes à travers l'interface noyau-gaine, aidés à produire l'augmentation du changement d'indice rapporté .

Dans une communication récente, nous avions prédit empiriquement, pour d'autres familles de verres comme les silicates boroalumineux, que si l'élément vitrifiant principal est accompagné d'un deuxième élément vitrifiant dont l'intensité du champ de polarisabilité est adaptée (comme l'interaction entre aluminium et calcium dans un verre de silice)23, il y a une forte probabilité d'obtenir des guides d'ondes avec un contraste d'indice de réfraction positif amélioré sous ULI23. Dans ce travail en cours, nous avons donc exploré s'il existe une analogie valable dans les verres fluorés, en étudiant l'ULI dans des compositions ZBLAN modifiées contenant une teneur significative en hafnium. Nous montrons qu'un ajout précis et sélectif d'hafnium permet l'inscription de guides d'ondes optiques à fort contraste d'indice dans du verre fluoré, tandis que les propriétés optiques, chimiques et mécaniques intrinsèquement bonnes ne sont pas affectées négativement par cette nouvelle conception de la composition.

Nous avons fabriqué six échantillons de verre différents avec différentes teneurs en hafnium/zirconium. De plus amples détails peuvent être trouvés dans la section "Matériels et méthodes". La figure 1 montre que des variations notables de l'indice de réfraction (n\(_D\)), de la température de transition vitreuse (T\(_g\)), du décalage de fréquence de Brillouin (BFS) et de la densité (\(\rho\)) ont été observées dans ces verres en vrac. Il convient de noter à ce stade qu'il existe une grande similitude chimique entre les atomes d'hafnium et de zirconium et que tous les fluorozirconates et fluorohafnates rapportés ont démontré un fort isomorphisme en raison de la même structure cellulaire cristalline et du même numéro de coordination, à l'exception d'une liaison Hf – F légèrement plus courte par rapport à Zr Les obligations –F. Pour cette raison, l'hafnium est couramment utilisé pour ajuster les indices de réfraction des verres de cœur et de gaine dans les fibres optiques fluorées.

Les spectres Raman de tous les échantillons et discussions sont fournis dans le document supplémentaire. La variation la plus notable a été trouvée dans le pic de fréquence vibratoire distinctif qui a diminué de 578 \(cm^{-1}\) à 574,6 \(cm^{-1}\) lorsque la teneur en HfF\(_4\) a augmenté dans la composition. Comme ce pic provient de la vibration terminale du fluorure due aux lourds atomes de Zr et Hf stagnants, on pense qu'une variation de sa fréquence est associée au réarrangement des contre-cations (Ba, La, Al et Na)24,25. Comprendre la base de ces variations est essentiel pour interpréter l'origine du changement d'indice dû à l'interaction ultrarapide laser-matière.

La substitution molaire de HfF\(_4\) pour ZrF\(_4\) explique l'augmentation monotone de densité due aux atomes de Hf plus lourds. Mais la diminution monotone contre-intuitive de l'indice de réfraction avec l'augmentation (plus lourde) de la teneur en hafnium est due à la polarisabilité atomique inférieure26 résultant de la contraction des lanthanides. L'hafnium, dont l'orbitale interne 4f est large et diffuse, ne parvient pas à protéger la coquille de valence de l'attraction du noyau. Une force d'attraction aussi forte sur les électrons de valence provoque une contraction de la taille du nuage de charge d'électrons réduisant sa capacité à se déformer lorsqu'il interagit avec une onde électromagnétique. Cela explique en outre les températures de transition vitreuse plus élevées pour les verres à haute teneur en hafnium puisque la liaison entre deux atomes relativement faiblement polarisables comme le hafnium et le fluor (le plus bas parmi les halogénures) donne lieu à une plus grande accumulation de densité électronique dans la région de liaison. Les forces d'attraction des noyaux agissant sur les électrons de liaison sont donc plus fortes, nécessitant donc une température/énergie plus élevée pour les casser. Cela ressort directement des valeurs de décalage de fréquence Brillouin (BFS) mesurées (Fig. 2) qui sont plus élevées pour ZBLAN (17,39 GHz) que pour HBLAN (15,26 GHz). La nature isotrope de tous les verres personnalisés a été confirmée par l'existence de pics Stokes et anti-Stokes uniques illustrés à la Fig. 2, comme prévu par la nature amorphe du matériau sans ordre ni symétrie à longue distance dans la matrice de verre. Le BFS27 dans un matériau dépend de l'indice de réfraction (n), du module longitudinal (M) et de la densité physique (\(\rho\)) et est donné par la relation \(BFS=\frac{2n}{\lambda } \sqrt{\frac{M}{\rho }}\). Lorsque les valeurs mesurées de BFS, n et \(\rho\) sont substituées et \(\lambda\) étant une constante (660 nm), le module longitudinal (Fig. 2 en médaillon) augmente linéairement lorsque ZrF\(_4\) est remplacé par HfF\(_4\), signifiant une liaison plus rigide pour ce dernier et donc une faible polarisabilité.

En utilisant le large espace de paramètres offert par l'inscription laser ultrarapide, il a été constaté que les guides d'ondes multiscan fabriqués à des taux de répétition inférieurs compris entre 5 et 50 kHz, des énergies d'impulsion entre 200 et 700 nJ et des vitesses d'alimentation entre 0,02 et 0,5 mm/s à l'aide d'un 40\ (\times\), l'objectif de focalisation 0,6 NA (Olympus, LUCPlan FL N) était idéal pour produire des guides d'ondes à contraste élevé. Il a également été constaté que l'introduction d'une quantité précise d'aberration sphérique en désaccordant la position du collier de l'objectif de focalisation entre 300 et 1500 μm aidait à affiner le nombre V du guide d'ondes.

La figure 3 montre l'évolution progressive des changements d'indice positifs et négatifs dans tous les verres lors de l'inscription du guide d'ondes laser fs, en maintenant la vitesse d'alimentation constante à 0,04 mm/s tandis que les énergies et la position du collier objectif ont été ajustées pour obtenir un changement d'indice maximal. Un seul passage de balayage laser a produit un brin de guide d'ondes d'environ 1 μm de large et 12 à 14 μm de haut. Ainsi, pour produire des guides d'onde multiscan, 13 passes décalées latéralement (pas de 0,55 μm) ont été réalisées à une profondeur de 170 μm sous la surface pour créer un guide d'onde de \(\approx\)7 μm de large.

(a) indice de réfraction (n) (axe de gauche), température de transition vitreuse (Tg) (axe de droite), (b) décalage de fréquence de Brillouin (BFS) (axe de gauche), densité (\(\rho\)) (axe de droite ) et (c) fréquence vibratoire du pic Raman du fluor terminal (axe de gauche), bande passante du pic Raman du fluor terminal (axe de droite).

Spectres de décalage de fréquence de Brillouin pour les lunettes ZBLAN et HBLAN. Encart : le module longitudinal pour tous les verres personnalisés calculé sur la base des mesures de diffusion Brillouin.

Évolution de l'indice de réfraction en fonction du contenu HF pour quatre taux de répétition différents. L'énergie laser et le collier d'objectif de mise au point ont été ajustés pour obtenir un changement d'indice maximal. La vitesse d'alimentation a été maintenue constante à 0,04 mm/s.

Images DIC de guides d'ondes écrits dans toutes les compositions à 5 kHz, 500 nJ, 0,04 mm / s et collier d'objectif de focalisation réglé sur 1000 μm.

La figure 4 montre des images au microscope DIC (Differential Interference Contrast) des guides d'ondes écrits à 5 kHz, 500 nJ, vitesse d'alimentation de 0, 04 mm / s avec un collier d'objectif de focalisation réglé à 1000 μm dans les six compositions de verre. Présentant généralement de forts changements d'indice positifs et négatifs, une inversion du changement d'indice a également été observée dans le verre HBLAN pur par rapport au reste. Un rapport de 1: 3 de la zone de changement d'indice positif à négatif a été trouvé dans tous les guides d'ondes, alors que pour HBLAN, cela était également inversé. Cela indique un changement structurel ou de composition plutôt qu'une inversion du profil thermique induit par le laser22,28. Il a été constaté que les verres hybrides contenant à la fois HfF\(_4\) et ZrF\(_4\) produisaient des changements d'indice positifs plus élevés par rapport aux verres HBLAN et ZBLAN purs.

Un mode laser de 2,25 μm a été guidé à travers le guide d'ondes de 7 μm écrit dans le verre 45HfF\(_4\)-10ZrF\(_4\)-45BLAN (mol%) qui présentait le changement d'indice positif le plus élevé. Les profils de mode guidé ainsi que le profil d'indice de réfraction 2D sont fournis à la Fig. 5. Pour comparer avec le cas le plus difficile, la fibre du Verre Fluoré qui a été utilisée en comparaison a un NA standard de 0,23 avec un diamètre de noyau de 6,5 μm et un monomode coupé à une longueur d'onde de 1,95 μm. Les dimensions du mode de guide d'ondes de 2,25 μm étaient de 11,6 × 15,3 μm par rapport au mode de fibre d'entrée de 10,9 μm, produisant une perte de couplage nette de 0,26 dB/facette, y compris les pertes de Fresnel (0,18 dB/facette). Une autre optimisation a été effectuée spécifiquement sur le verre 45HfF\(_4\)-10ZrF\(_4\) pour fournir une augmentation supplémentaire de 20 % du contraste de l'indice de réfraction en inscrivant à une vitesse d'alimentation plus rapide (0,3 mm/s) avec un collier d'objectif position fixée à 1500 μm. Cela a permis d'augmenter la longueur d'onde de guidage au-delà de 3 μm. Un guide d'ondes de 12 μm de large (pas de 0,6 μm) écrit à un rep. un taux de 5 kHz et une énergie d'impulsion de 700 nJ ont produit un contraste d'indice de 1,2 × 10-2 qui est la valeur la plus élevée rapportée dans un verre fluoré jusqu'à ce jour. L'image au microscope DIC de ce guide d'ondes ainsi que le profil d'indice de réfraction 2D et le profil de mode guidé à 3,1 μm sont fournis à la Fig. . Compte tenu de l'adaptation de l'indice de réfraction entre la fibre et le guide d'ondes, cela a produit une perte de couplage nette de 1,37 dB/facette. Les chiffres de perte sont mieux rapportés jusqu'à présent en considérant le plus petit mode de guide d'ondes dans l'infrarouge moyen avec l'avantage supplémentaire que le guide d'ondes soit un type-I accordable et le même matériau que la fibre pour l'intégration. En optimisant davantage la géométrie de focalisation pour augmenter la taille verticale de la région d'indice de réfraction positif, nous pensons qu'il est possible d'obtenir un mode presque parfaitement circulaire qui devrait encore réduire la perte de couplage.

(a) Profil d'indice de réfraction, (b) mode laser 2,25 μm et (c) ses profils de lignes verticaux et horizontaux du guide d'ondes écrits dans le verre 45HfF\(_4\)-10ZrF\(_4\)-45BLAN. Image DIC et paramètres d'écriture comme dans la Fig. 4.

(a) Image au microscope DIC, (b) Profil d'indice de réfraction (c) Mode 3,1 μm et (d) ses profils de lignes verticales et horizontales d'un guide d'ondes de 12 μm de large (pas de 0,6 μm) écrit à un taux de répétition de 5 kHz et 700 énergie d'impulsion nJ dans le verre 45HfF\(_4\)–10ZrF\(_4\).

Afin d'affiner le nombre V et ainsi de réduire davantage les pertes de couplage, l'origine physique du changement d'indice doit être identifiée. Une image au microscope électronique rétrodiffusée du guide d'ondes de 7 μm écrite à une vitesse d'alimentation de 0, 04 mm / s est illustrée à la Fig. 7a et montre un contraste z négligeable, indiquant une densification / raréfaction du matériau faible / négligeable. La formation de nano-vides (observés sous forme de taches rondes sombres) a été trouvée exclusivement dans la région de changement d'indice négatif. Les nano-vides/nano-pores sont une caractéristique commune dans le régime athermique de l'irradiation laser ultrarapide et sont formés en raison de l'accumulation de porteurs libres là où la densité d'électrons est la plus élevée29. Leur présence exclusivement dans la région de changement d'indice négatif indique l'existence d'un fort profil de gradient pour le dépôt d'énergie laser dans le verre en raison du désaccord du collier d'objectif de focalisation22,28. Une cartographie élémentaire de tous les éléments constitutifs du verre était sans particularité, indiquant que la formation de guides d'ondes est purement causée par une réorganisation structurelle et une stoechiométrie fixe. Étant donné que les verres fluorés sont censés avoir un caractère ionique plus élevé30, supérieur de 2 à 4 ordres à celui des verres oxydes (selon la composition sans alcali ou riche en alcali), principalement en raison de la présence d'ions F- monovalents, une migration induite par un faisceau d'électrons31 doit être attendue lors de l'utilisation toute technique de caractérisation par faisceau d'électrons. Par conséquent, une confirmation supplémentaire a été recherchée par des mesures de diffusion Brillouin à travers les guides d'ondes car il s'agit d'une méthode de sondage purement basée sur la lumière des zones modifiées par laser. La figure 7b montre le décalage Brillouin relatif à travers les zones modifiées au laser par rapport au volume. Des décalages modérés de + 172 MHz et 135 MHz ont été observés dans les régions de changement d'indice positif et négatif du guide d'ondes, respectivement. Par rapport à l'incertitude de mesure (10 MHz), estimée sur la base de 10 mesures sur trois verres non modifiés, ce changement est statistiquement significatif. Il convient de souligner que la différence globale des décalages de fréquence de Brillouin dans ce verre pour toute la gamme de compositions s'avère être de 4,25 GHz (Fig. 2). Nous avons ainsi pu confirmer les résultats trouvés à partir de l'analyse par micro-sonde électronique (EPMA) selon lesquels la formation du guide d'ondes n'est pas due à la migration des ions ou à des changements de stoechiométrie locaux. Les balayages de ligne BFS, comme illustré à la Fig. 8a, ont été effectués de haut en bas le long de la direction du laser fs entrant dans les guides d'ondes dont les images DIC sont illustrées à la Fig. 4, révélant que l'amplitude du décalage de Brillouin atteint le maximum pour les lunettes modifiées avec 35HfF \(_4\)–20ZrF\(_4\)–45BLAN. Il est intéressant de noter que le décalage est assez sensible dans les zones d'indice négatif alors que les zones d'indice positif sont sans relief pour les verres purs ZBLAN et HBLAN. On pourrait en déduire que la formation de la zone à changement d'indice négatif est basée sur une modification structurale conduisant à la raréfaction. La formation de nano-vides exclusivement au niveau de la zone de changement d'indice négatif soutient cet argument. Une comparaison de la différence relative observée entre les valeurs maximale et minimale du décalage de fréquence de Brillouin et le changement d'indice de réfraction mesuré dans les guides d'ondes respectifs est illustrée sur la figure 8b. Les premier et dernier points de données des guides d'ondes en verre HBLAN et ZBLAN purs indiquent que le changement relatif de BFS et \(\Delta\)n sont les mêmes dans la zone de changement d'indice positif. Puisque \(BFS=\frac{2n}{\lambda } \sqrt{\frac{M}{\rho }}\) , cela justifie une absence de changement de densité [complétée par la microscopie électronique rétrodiffusée (BSE)] et longitudinale module dans la région de guidage pendant la formation du guide d'ondes. Alors que les deux s'écartent d'une valeur maximale pour la composition 35HfF\(_4\)–20ZrF\(_4\)–45BLAN dans la zone de changement d'indice positif. Etant donné que le changement de densité au sein du guide d'onde est négligeable, le changement de module longitudinal doit être le facteur responsable de cette forte déviation. Comme la composition contient deux formateurs de verre (HfF\(_4\) et ZrF\(_4\)) et que les écarts sont maximum lorsque la fraction molaire (HfF\(_4\):ZrF\(_4\)) est comprise entre 0,45 et 0,82, on pense que le facteur responsable est un effet formateur de verre mixte car le reste de la composition (BLAN) est maintenu constant dans tous les échantillons. Ce résultat est assez surprenant car Hf et Zr sont fortement isomorphes et ne contribuent pas à l'effet vitrificateur lors de la formation du verre massif.

(a) Image au microscope électronique rétrodiffusée du guide d'ondes de 7 μm de large écrit dans le verre 45HfF\(_4\)–10ZrF\(_4\)–45BLAN. Image DIC et paramètres d'écriture comme sur la Fig. 4. Les taches rondes sombres dans la zone de changement d'indice négatif sont les nano-vides. ( b ) Décalage de fréquence de Brillouin cartographié sur le même guide d'ondes.

( a ) Balayages de lignes de décalage de fréquence Brillouin de guides d'ondes écrits dans toutes les compositions à 5 kHz, 500 nJ, 0, 04 mm / s et collier d'objectif de focalisation réglé à 1000 μm. ( b ) Une comparaison de la différence relative observée entre les valeurs maximale et minimale du décalage de fréquence de Brillouin et le changement d'indice de réfraction mesuré dans les mêmes guides d'ondes.

En règle générale, lorsque deux formateurs de verre isomorphes sont mélangés dans une composition de verre, en particulier lorsqu'une mole de formateur de verre est remplacée par une autre à composition de modificateur de verre constante, l'effet est non linéaire et non additif, ce qui se traduit par un tournant dans sa composition. propriétés optiques, thermiques et mécaniques32. Cet effet culmine généralement lorsque les deux espèces ont une teneur égale dans une composition car lors de la formation du verre, les sites occupables pour une espèce particulière ne sont pas nécessairement énergétiquement ou morphologiquement favorables pour un deuxième type de formateur de verre. En d'autres termes, si le réseau aléatoire tridimensionnel pouvait être considéré comme un paysage énergétique potentiel, deux espèces différentes verraient un profil énergétique 3D entièrement différent avec des sites potentiellement occupables entièrement différents33. Une substitution relative de 50% entre les deux espèces différentes montre donc une plus grande inadéquation de site démontrant le plus grand contraste avec ses propriétés. Dans notre cas, Hf et Zr étant isomorphes peuvent être substitués l'un à l'autre avec des résultats linéaires et additifs comme le montrent les résultats de la Fig. 1. Cette possibilité rend le verre mixte HfF\(_4\)–ZrF\(_4\) dans général difficiles à discriminer les uns des autres et identifier le rôle de chaque formateur de verre dans les caractéristiques globales du verre est un défi. Cependant, lors de l'inscription du guide d'onde, alors qu'elle transite par un processus de trempe rapide, la zone modifiée présente un effet formateur de verre mixte, en particulier pour les verres avec des fractions molaires autour de 0,5. La cartographie Raman n'a révélé aucun changement d'intensité, de décalage de pic et de bande passante de la majorité des pics spectraux. L'exception était le pic principal attribué à la vibration d'étirement symétrique des liaisons fluor terminales attachées aux atomes de Zr ou de Hf. C'était le cas pour tous les guides d'ondes écrits dans toutes les compositions et tous les paramètres d'inscription. La figure 9 est une image représentative du guide d'onde de 12 μm écrit à des vitesses de translation de 0,3 mm/s dans le verre 45HfF\(_4\)-10ZrF\(_4\). Il démontre la génération de telles liaisons fluor terminales et la réduction de sa fréquence de vibration dans la zone d'indice positif. Comme il existe une grande disparité dans la polarisabilité atomique entre Hf (4,3 Å) et Zr (170,6 Å\(^3\)) en raison de l'effet de contraction des lanthanides dans le premier, la génération de nouveaux fluors terminaux est soumise à un fort nuage d'électrons distorsion en fonction de l'atome parent auquel il est attaché. Le numéro atomique de Hf (72) est presque le double de Zr (40) mais le rayon ionique dû à la contraction des lanthanides dans Hf (83 Å) est assez similaire à Zr (84 Å). Cela montre à quel point le noyau de Hf lie plus étroitement ses électrons à lui-même, de sorte que la déformation de ses coques électroniques sous un champ électrique est plus difficile. Les atomes de fluor possèdent également une faible polarisabilité atomique en raison de leur plus petite taille. Par conséquent, la localisation des électrons lorsqu'un fluor terminal se lie à Hf est très élevée par rapport à Zr. L'observation de l'effet de formateur de verre mixte lors de la formation du guide d'ondes peut s'expliquer par la formation de fluors terminaux attachés à des formateurs de verre avec des polarisabilités très diverses. Une fois que le verre a subi un processus de trempe rapide initié par l'énergie des impulsions laser fs, la formation de fluors terminaux est spécifique au site et congestionnée causée par la présence physique des ligands environnants à énergie diverse dans le réseau tridimensionnel. La figure 10 représente le cas très simple démontrant l'effet sur le nuage d'électrons du fluorure terminal attaché aux unités moléculaires (a) Zr – Zr (b) Hf – Hf (c) Zr – Hf. La flèche rouge indique la forte distorsion du nuage d'électrons due à l'atome de Hf faiblement polarisable, tandis que la flèche jaune indique une distorsion relativement faible due à l'atome de Zr hautement polarisable. Par conséquent, les verres avec HfF\(_4\):ZrF\(_4\) \(\approx\) 0,5 montrent l'effet maximum. Cela explique en outre le changement d'indice de réfraction plus élevé induit par les nuages d'électrons déformés dans les verres qui contiennent à la fois des formateurs de verre et le changement d'indice beaucoup plus faible dans les verres ZBLAN et HBLAN purs à un seul composant.

(a) Image DIC (b) 575 \(cm^{-1}\) Intensité du pic Raman et (c) son décalage de fréquence du guide d'ondes de 12 μm de large (pas de 0,6 μm) écrit à un représentant. taux de 5 kHz et 700 nJ d'énergie d'impulsion dans le verre 45HfF\(_4\)–10ZrF\(_4\)–45BLAN.

Nuage d'électrons de fluors terminaux/non pontants (F\(_{NB}\)) subissant (a) une distorsion modérée des atomes de Zr dans des verres ZBLAN purs (b) une distorsion élevée des atomes de Hf dans des verres HBLAN purs (c) des fluors terminaux avec des caractéristiques diverses en raison de la spécificité du site en fonction de son voisin immédiat dans les verres hybrides.

Les liaisons fluor terminales ont une polarisabilité plus élevée que celles pontées, mais comme la production est la même dans toutes les compositions, il est raisonnable de croire que le réarrangement structurel obéissant à l'effet formateur de verre mixte induit une polarisabilité plus élevée en raison de la forte disparité entre Hf et Zr. En résumé, une ouverture numérique élevée et des guides d'ondes infrarouges moyens hautement contrôlables ont été fabriqués dans un verre ZBLAN redessiné. Nos résultats ouvrent la voie à la possibilité de raccorder des fibres de fluorure existantes à des puces de verre fonctionnelles intégrées, permettant ainsi une nouvelle architecture hybride pour le développement de systèmes photoniques infrarouges moyens entièrement intégrés et déployables sur le terrain. La génération de fluorures terminaux hautement polarisables due à l'inscription au laser fs a été identifiée comme le mécanisme principal du changement d'indice positif élevé obtenu dans la région de guidage, tandis que la région de changement d'indice faible était caractérisée par des modifications structurelles avec formation de nanovides. La migration des ions induite par le laser ou le changement de stoechiométrie n'a pas contribué à la formation du guide d'ondes. Le changement d'indice de réfraction maximal peut être manipulé en faisant varier le rapport des deux formateurs de verre en contrôlant la distorsion du nuage d'électrons due à l'effet de formateur de verre mixte induit par le laser fs. Par conséquent, ce travail peut également servir de ligne directrice pour l'optimisation basée sur les matériaux de la fabrication de guides d'ondes dans d'autres verres et pour d'autres longueurs d'onde.

Six verres différents avec une teneur variable en HfF\(_4\) en commençant par un verre ZBLAN pur conventionnel ayant une composition de 55 ZrF\(_4\) et le reste de 45 % en moles composé de BaF\(_2\), LaF\(_3\ ), AlF\(_3\), NaF a été utilisé. xHfF\(_4\)–(55–x)ZrF\(_4\)–45BLAN où x = 0, 15, 25, 35, 45, 55. La stoechiométrie de Ba, La, Al et Na est maintenue constante pour tout lunettes. Les verres ont été préparés avec la technique conventionnelle de trempe à l'état fondu à l'usine industrielle Le Verre Fluore. Pour éviter toute erreur expérimentale ou d'alignement lors de l'inscription du guide d'ondes, tous les échantillons ont été montés sur un substrat de verre flotté, polis jusqu'à la même épaisseur et planéité avant que l'inscription ne soit effectuée en même temps sur tous les échantillons. Un système laser femtoseconde Pharos fonctionnant à une longueur d'onde centrale de 1030 nm, une durée d'impulsion de 240 fs et un taux de répétition variable à partir d'une impulsion unique jusqu'à 1 MHz a été utilisé pour l'inscription. Nous avons constaté que des taux de répétition plus faibles fournissent des fenêtres d'inscription idéales pour les guides d'ondes à balayage multiple et, par conséquent, dans ce travail, nous nous sommes concentrés sur des valeurs comprises entre 5 et 50 kHz. Après inscription, des guides d'ondes de 11 mm de long dont les facettes d'extrémité ont été polies ont été imagés par microscopie à contraste interférentiel différentiel à l'aide d'un microscope inversé Olympus. L'indice de réfraction a été profilé à l'aide d'un réfractomètre à champ proche Rinck et le mode profilé à l'aide d'un profileur de faisceau Dataray wincam S-WCD-IR-BB-30. La caractérisation structurale et chimique des guides d'ondes a été réalisée à l'aide d'un microscope électronique à balayage sur un EPMA à émission de champ JEOL JXA-8500F et d'une spectroscopie Micro-Raman avec une longueur d'onde d'excitation de 633 nm sur un microscope Renishaw inVia Raman en mode confocal à l'aide d'un objectif 100 × (spatial résolution \(\approx\)0,5 μm). Des expériences de diffusion Brillouin ont été réalisées pour identifier les différences dans les propriétés mécaniques des guides d'ondes et des verres massifs de toutes compositions. La spectroscopie Brillouin est basée sur la diffusion inélastique de la lumière où les photons échangent de l'énergie avec les phonons dans le matériau, entraînant un décalage de fréquence Brillouin (BFS, \(\Omega\)) entre la lumière incidente et diffusée. Ce décalage est directement proportionnel à la vitesse des ondes sonores longitudinales (\(\nu _s\)), à l'indice de réfraction n et inversement proportionnel à la longueur d'onde du laser de sondage \(\lambda\)=660 nm, \(\Omega\) =\(\frac{2n}{\lambda }\nu _s\). Ainsi, la diffusion lumineuse Brillouin sonde directement la vitesse de propagation des phonons acoustiques ainsi que l'indice de réfraction du matériau. La vitesse acoustique, à son tour, est fonction des propriétés mécaniques du matériau, à savoir son module d'élasticité longitudinal M et la densité du matériau \(\rho\), et donnée par \(\nu _s\) = \(\sqrt{\ frac{M}{\rho }}\). Des mesures de diffusion spontanée de Brillouin ont été effectuées en tant que technique basée sur la lumière complémentaire à la microscopie électronique, car les verres fluorés ont un caractère ionique plus élevé et peuvent être affectés par la migration induite par le faisceau d'électrons des éléments dans la région de caractérisation. Les décalages de fréquence de Brillouin (BFS) ont été mesurés à l'aide d'un laser Cobolt Flamenco à fréquence unique de 660 nm (HÜBNER Photonics) à travers un microscope confocal (CM1, TableStable Ltd) et les spectres ont été collectés à l'aide d'un interféromètre Fabry-Perot à balayage en tandem à 6 passages (TFP1, TableStable Ltd). La lumière rétrodiffusée a été collectée par une lentille d'objectif (objectif corrigé à l'infini Mitutoyo Plan Apo 20X, NA = 0,42, WD = 20 mm) et redirigée vers l'interféromètre pour analyse. Des cartographies linéaires et 2D ont été réalisées en déplaçant l'échantillon sur la platine de microscopie 3D (SmarAct) le long d'un et de deux axes de la platine, tout en maintenant le système optique et la lentille d'objectif immobiles. Cet appareil expérimental a abouti à une mesure avec une résolution spatiale d'environ 2 μm x 2 μm x 100 μm dans la direction X – Y – Z, respectivement. La résolution spectrale de notre instrument est déterminée par la distance entre les miroirs de l'interféromètre à balayage Fabry-Perot (3 mm) et le nombre de canaux d'acquisition (512) soit environ 276 MHz. Le rapport d'extinction spectrale des interféromètres Fabry-Perot est supérieur à \(10^{10}\)34. Le temps d'acquisition pour chaque mesure ponctuelle était de 20 s pour optimiser le rapport signal sur bruit et améliorer la précision d'ajustement. Les données brutes recueillies par le spectromètre sont ajustées à l'aide du modèle d'oscillateur harmonique amorti (DHO) pour chaque pic de Brillouin individuel et le centre de ces pics est ce qui détermine les valeurs de décalage de fréquence de Brillouin rapportées dans ce manuscrit.

Les auteurs confirment que les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles dans l'article [et/ou] ses documents supplémentaires.

Poulain, M., Poulain, M. & Lucas, J. Structure cristalline de SmZrF7: Relations structurales avec le type ReO3. J. Solid State Chem. 8(2), 132–141 (1973).

Article ADS CAS Google Scholar

Jackson, SD Vers une émission infrarouge moyenne à haute puissance à partir d'un laser à fibre. Nat. Photon. 6, 423–431. https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.149 (2012).

Article ADS CAS Google Scholar

Hudson, DD et al. Vers un supercontinuum tout fibre couvrant l'infrarouge moyen. Optique 4, 1163-1166 (2017).

Article ADS CAS Google Scholar

Borondics, F. et al. Spectromicroscopie infrarouge à transformée de Fourier basée sur le supercontinuum. Optique 5, 378–381 (2018).

Annonces d'article Google Scholar

Rowe, CJ et al. Coupleurs coniques fusionnés en fibre fluorozirconate multimode. Électron. Lett. 26(5), 316–318 (1990).

Annonces d'article Google Scholar

Schafer, CA et al. Coupleur de pompe latérale à base de fibre fluorée pour lasers à fibre haute puissance à 2,8 μm. Opter. Lett. 43(10), 2340–2343 (2018).

Article ADS CAS Google Scholar

Gattass, RR & Mazur, E. Micro-usinage laser femtoseconde dans les matériaux transparents. Nat. Photon. 2, 219-225 (2008).

Article ADS CAS Google Scholar

Gross, S. et al. Guides d'ondes ZBLAN infrarouge moyen à faible perte pour les futures applications astronomiques. Opter. Express 23(6), 7946–7956 (2015).

Article ADS CAS Google Scholar

Bérubé, J.-P., Bernier, M. & Vallée, R. Modifications de l'indice de réfraction induites par laser femtoseconde dans le verre fluoré. Opter. Mater. Exprimer. 3(5), 598–611 (2013).

Annonces d'article Google Scholar

Gross, S. & Withford, MJ Photonique intégrée 3D à inscription laser ultra-rapide : défis et applications émergentes. Nanophotonique 4(3), 332–352 (2015).

Article Google Scholar

Gross, S. et al. Inscription laser ultra-rapide dans les verres souples : Une étude comparative des régimes de traitement athermique et thermique pour l'optique à ondes guidées. Int. J. Appl. Verre Sci. 3(4), 332–348. https://doi.org/10.1111/ijag.12005 (2012).

Article CAS Google Scholar

Khalid, M. et al. Guides d'ondes à faible perte de propagation induits par laser femtoseconde dans un verre de germanate de plomb pour un laser efficace dans l'infrarouge proche à moyen. Sci. Rep. 11, 10742. https://doi.org/10.1038/s41598-021-90249-9 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bérubé, J.-P. et coll. Inscription directe par laser femtoseconde de guides d'ondes de transmission IR moyen dans des lunettes BGG. Opter. Mater. Express 7, 3124–3135. https://doi.org/10.1364/OME.7.003124 (2017).

Annonces d'article Google Scholar

Smayev, MP et al. Ecriture laser femtoseconde d'un guide d'onde à canal monomode à gaine déprimée dans du verre de tellurite de haute pureté. J. Non-Cryst. Solides 480, 100–106. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.11.007 (2018).

Article ADS CAS Google Scholar

Gretzinger, T. et al. Marquage laser ultrarapide dans du verre chalcogénure : fabrication thermique versus athermique. Opter. Mater. Express 5, 2862–2877. https://doi.org/10.1364/OME.5.002862 (2015).

Article ADS CAS Google Scholar

Rodenas, A. et al. Circuits photoniques tridimensionnels dans l'infrarouge moyen en verre chalcogénure. Opter. Lett. 37, 392–394. https://doi.org/10.1364/OL.37.000392 (2012).

Article ADS PubMed Google Scholar

Arriola, A. et al. Astrophotonique dans l'infrarouge moyen : étude du changement d'indice induit par laser ultra-rapide dans des matériaux compatibles. Opter. Mater. Express 7, 698–711. https://doi.org/10.1364/OME.7.000698 (2017).

Annonces d'article Google Scholar

Poulain, M. Verres fluorés : propriétés, technologie et applications. Dans : Verres photoniques et vitrocéramiques (éd. par GS Murugan) Research Signpost, 1–28 (2010). https://eprints.soton.ac.uk/341194/.

Hewak, DW et al. Verres de chalcogénure pour les applications d'appareils photoniques. Dans : Photonic Glasses and Glass-Ceramics (éd. par GS Murugan) Research Signpost, 29–102 (2010). https://eprints.soton.ac.uk/341177/.

Heck, M. et al. Réseaux à longue période écrits en femtoseconde dans des fibres fluorées. Opter. Lett. 43, 1994–1997 (2018).

Annonces d'article Google Scholar

Fernandez, TT et al. Dispositifs photoniques sur mesure utilisant une migration d'ions ultra-rapide pilotée par laser dans des verres. Programme. Mater. Sci. 94, 68–113 (2018).

Article CAS Google Scholar

Fernandez, TT et al. Contrôle des distributions de plasma en tant que forces motrices pour la migration des ions lors de l'écriture laser fs. J.Phys. D 48(15), 155101 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Fernandez, TT et al. Revisiter la formation de guides d'ondes inscrits par laser ultrarapide dans des verres de borosilicate sans alcali commerciaux. Opter. Express 28(7), 10153–10164 (2020).

Annonces d'article Google Scholar

Phifer, CC et al. Effets de l'environnement de coordination sur la fréquence d'étirement symétrique Zr – F des verres, cristaux et fondus de fluorozirconate. J. Chem. Phys. 94, 3440–3450 (1991).

Article ADS CAS Google Scholar

Gross, S. et al. Changements structurels induits par laser femtoseconde dans le verre fluorozirconate. Opter. Mater. Exprimer. 3, 574–583 (2013).

Article ADS CAS Google Scholar

Ghosh, DC & Biswas, R. Calcul théorique des rayons absolus des atomes et des ions. Partie 1. Les rayons atomiques. Int. J. Mol. Sci. 3, 87-113 (2002).

Article CAS Google Scholar

Palombo, F. & Fioretto, D. Brillouin diffusion de la lumière : Applications en sciences biomédicales. Chim. Rév.119, 7833–7847 (2019).

Article CAS Google Scholar

Song, J. et al. Mécanisme du laser femtoseconde induisant des microstructures inversées en employant différents types de lentilles d'objectif. J.Phys. D 44, 495402 (2011).

Annonces d'article Google Scholar

Dai, Y. et al. Transition vide-nanogramme par irradiation par impulsions laser ultracourtes dans du verre de silice. Opter. Express 24, 19344–19353 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Reau, JM & Poulain, M. Conductivité ionique dans les verres contenant du fluor. Mater. Chim. Phys. 23, 189-209 (1989).

Article CAS Google Scholar

Jiang, N., Qiu, J. & Silcox, J. Effets de l'irradiation d'électrons à haute énergie sur le verre de fluorure de métaux lourds. J. Appl. Phys. 96, 6230–6233. https://doi.org/10.1063/1.1814812 (2004).

Article ADS CAS Google Scholar

Wang, W. et al. Propriétés élastiques et ordre structural à courte portée dans les verres anciens à réseaux mixtes. Phys. Chim. Chim. Phys. 19, 15942–15952 (2017).

Article CAS Google Scholar

Dyre, JC et al. Questions fondamentales relatives à la conduction ionique dans les solides désordonnés. Rép. Progrès Phys. 72, 046501 (2009).

Annonces d'article Google Scholar

Sandercock, JR Schéma de stabilisation simple pour le maintien de l'alignement du miroir dans un interféromètre à balayage Février-Perot. J.Phys. E 9, 566-569 (1976).

Annonces d'article Google Scholar

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Ce travail est financé par le Bureau de la recherche scientifique de l'US Air Force sous le numéro de prix FA2386-19-1-4049. Ce travail a été effectué en partie au nœud OptoFab de l'Australian National Fabrication Facility, en utilisant le financement du gouvernement de l'État NCRIS & NSW. Les auteurs reconnaissent l'utilisation des installations prises en charge par Microscopy Australia à l'unité de microscope électronique au sein du Mark Wainwright Analytical Center à l'UNSW Sydney.

MQ Photonics Research Centre, École des sciences mathématiques et physiques, Université Macquarie, Sydney, NSW, 2109, Australie

Toney T. Fernandez, B. Johnston, S. Gross, M. Withford et A. Fuerbach

Le Verre Fluoré, 1 Rue Gabriel Voisin - Campus KerLann, 35170, Bruz, Brittany, France

S. Cozic & M. Poulain

École des sciences mathématiques et physiques, Université de technologie de Sydney, Ultimo, NSW, 2007, Australie

H. Mahmodi & I. Kabakova

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TTF a conçu le travail et les expériences. TTF et BJ ont fabriqué les guides d'ondes. SC et MP ont fabriqué le verre, HM, TTF et IK ont caractérisé les mesures de Brillouin. SG, MW et AF ont supervisé les travaux. Les manuscrits ont été discutés et écrits avec les contributions de tous les auteurs listés.

Correspondance à Toney T. Fernandez.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Fernandez, TT, Johnston, B., Gross, S. et al. Guides d'ondes laser ultrarapides inscrits dans des verres fluorés sur mesure : une technologie habilitante pour les dispositifs photoniques intégrés dans l'infrarouge moyen. Sci Rep 12, 14674 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18701-y

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Reçu : 08 mai 2022

Accepté : 17 août 2022

Publié: 29 août 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-18701-y

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