フェムト秒レーザーによる熱泳動でケイ酸塩ガラスに導波路を形成

Femtosecond laser induced thermophoretic writing of waveguides in silicate glass.

• Manuel Macias-Montero
• Francisco Muñoz
• Belén Sotillo
• Jesús Del Hoyo
• Rocío Ariza
• Paloma Fernandez
• Jan Siegel
• Javier Solis

抄録

本論文では，フェムト秒レーザーを用いて，その場限りの組成で設計されたケイ酸塩ガラスに微細構造を熱泳動的に書き込み，赤外光導波路として応用することを報告する。このガラスの改質メカニズムは、地球のマントルで玄武岩の液体中に起こる元素の熱拡散を模倣したものであるが、はるかに短い時間スケール（10倍の速さ）で、明確に定義されたマイクロメートルの体積上で行われている。珪酸塩ガラスにBaO、NaO、KOを正確に添加することで、フェムト秒レーザー照射時に正の屈折率コントラストを形成することができる。焦点体積と誘導される温度勾配の影響を徹底的に分析した結果、2.5×10という高い屈折率コントラストを持つさまざまな構造が得られました。近接場測定と電子偏光度解析という2つの独立した手法により、改質領域の屈折率の大きさが確認された。さらに、この微細構造の導波路としての機能は、その伝搬損失を低減することでさらに最適化され、さまざまなフォトニックデバイスへの応用が可能となる。

Here in, the fs-laser induced thermophoretic writing of microstructures in ad-hoc compositionally designed silicate glasses and their application as infrared optical waveguides is reported. The glass modification mechanism mimics the elemental thermal diffusion occurring in basaltic liquids at the Earth's mantle, but in a much shorter time scale (10 times faster) and over a well-defined micrometric volume. The precise addition of BaO, NaO and KO to the silicate glass enables the creation of positive refractive index contrast upon fs-laser irradiation. The influence of the focal volume and the induced temperature gradient is thoroughly analyzed, leading to a variety of structures with refractive index contrasts as high as 2.5 × 10. Two independent methods, namely near field measurements and electronic polarizability analysis, confirm the magnitude of the refractive index on the modified regions. Additionally, the functionality of the microstructures as waveguides is further optimized by lowering their propagation losses, enabling their implementation in a wide range of photonic devices.