超短脉冲激光在掺Er%5E%283%2B%29磷酸盐玻璃中制备光波导的实验研究.pdf

第41卷第4期2024年8 月J.At.Mol.Phys.,2024,41:044002(8pp)原子与分子物理学报JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS超短脉冲激光在掺Er3+磷酸盐玻璃中制备光波导的实验研究白晶2，龙学文3Vol.41 No.4Aug.2024（1.太原师范学院物理系，晋中0 30 6 19；2 太原师范学院计算与应用物理研究所，晋中0 30 6 19；3.湖南医药学院，怀化418 0 0 0）摘要：超短脉冲激光通过非线性吸收调制光学材料折射率提供了一种高效制备集成三维光子器件的途径，掺Er+磷酸盐玻璃由于其优异的特性以及在1.55m通信波段附近的发射光谱，成为了集成光学主动增益材料中的研究热点：实验采用重复频率1kHz，中心波长8 0 0 nm，脉冲宽度12 0 fs的钛宝石飞秒激光放大系统作为制备波导的光源，系统研究了加工参数对激光写入形貌、波导形成及光学特性的影响，实验结果表明，在狭缝整形辅助短焦物镜横向刻写条件下，写入脉冲能量为1.8 J时，光波导可以在写入速度为10 m/s-160m的较宽范围内形成；写入速度为40 m/s时，光波导写入脉冲能量参数窗口为1.6uJ-2.0J;波导写入深度在12 5 m-200m 范围时，波导横截面对称性较好且折射率修改明显;近场强度测量结果显示所制备波导近场强度分布对称，导光特性良好，通过有限差分法反推波导区域折射率修改分布，结果显示最大折射率修改为An=6.610-4.截断传输损耗测量结果显示所制备波导的传输损耗低至0.91 dB/cm.关键词：超短脉冲激光；光波导；掺磷酸盐玻璃；集成光学中图分类号：TN249Experimental study on fabrication of optical waveguides inEr3+-doped phosphate glass by ultrashort pulse laser文献标识码：AD0I:10.19855/j.1000-0364.2024.044002BAI Jing l.2,LONG Xue-Wen(1.Department of Physics,Taiyuan Normal University,Jinzhong 030619,China;2.Institute of Computational and Applied Physics,Taiyuan Normal University,Jinzhong 030619,China;3.Hunan University of Medicine,Huaihua 418000,China)Abstract:Ultrashort pulse laser provides an efficient way to fabricate integrated photonic devices by modulatingthe refractive index of optical materials with nonlinear absorption to form three-dimensional optical waveguides.Er3+-doped phosphate glass,due to its excellent characteristics and emission spectrum in the communicationband near 1.55 m,has become a research hotspot in integrated optical active gain materials.In the experi-ment,the Ti:sapphire femtosecond laser amplification system with the output pulse laser parameters of repetitionfrequency of 1 kHz,center wavelength of 800 nm and pulse width of 120 fs was used as the inscribed lightsource.The impact of processing parameters on waveguide formation,waveguide morphology and optical proper-ties were systematically studied.The experimental results show that under the transverse writing condition withslit shaping assisted short focus microscope objective,with a fixed pulse energy of 1.8 J,the optical waveguidecan be formed in the scan speed range of 10 m/s-160 m/s.With a fixed scan speed of 40 m/s,the writing收稿日期：2 0 2 2-10-31基金项目：山西省高等学校科技创新项目（2 0 2 1L421）；湖南医药学院博士科研基金（2 0 2 0 12 2 0 0 2）作者简介：白晶（198 1一），男，讲师，主要从事微纳光子器件设计及制备研究。E-mail：b a i 2 0 0 0 y w 16 3.c o m通讯作者：龙学文.E-mail：x w l o n g 7 7 12 6.c o m044002-1第41卷pulse energy window of the optical waveguide is 1.6 J-2.0 J.The waveguide cross-section is symmetricaland the refractive index is obviously modified,within the depth range of 125 m-200 m from the surface.Thenear-field intensity measurement results show that the near-field intensity distribution of the preparedwaveguide is symmetrical,and the light guiding characteristics are maintained well.The refractive index modifi-cation distribution in the waveguide region is simulated based on the finite difference method,and the resultsshow that the maximum refractive index modification value is An=6.6 10-4.The results of cut-back meas-urement show that the lowest waveguide propagation loss is only 0.91 dB/cm.Key words:Ultrashort laser;Optical waveguide;Er3+-doped phosphate glass;Integrated optics原子与分子物理学报第4期值，触发材料产生剧烈的电离效应，最终高能的1 引 言等离子体与物质晶格作用，部分修改了材料的微集成光学是将众多不同功能的光子器件集成观结构，产生了折射率的区域性修改，从而制备在一个很小尺度的区域内，相较离散光学器件系不同结构的光子器件，这种技术工艺简单，制备统具有体积小，功耗低，稳定可靠等优点1-3,结构灵活，对样品和环境要求低，逐渐成为在集是近年来光学领域的前沿热点研究方向在众多成光子器件领域一种便捷、有力的制作手段2 6 集成光子器件中，光波导4,5 担负着各个光子器采用这种加工手段已经成功实现了波导分束件的互联作用，而且其本身就是重要的光子器件，器2 7 ，波导耦合器2 8 ，波导光栅【2 ，波导激光可以提供各种被动光子器件6,7 功能和主动增益器和波导放大器30-3 等光子功能器件总之，超器件8.9 功能作为主动增益光子功能器件的波短脉冲制备光子功能器件技术为实现多功能集成导激光器10-12 和波导放大器13-15 尤为受到关注，光路提供了有效实现途径。因为它为整个光路系统提供光源，决定了集成光本文详细研究了重复频率1kHz，中心波长学系统的稳定性和整体光路的集成度，是集成光800nm，脉冲宽度12 0 fs的超短脉冲激光在掺学的核心器件鉴于光波导可将光场束缚在几微Er+磷酸盐玻璃内部制备波导的参数窗口，讨论米甚至更小的尺度，波导激光器相比传统体介质激光参数和波导特性之间的关系：研究结果表明，激光器具有更高的光功率密度，更低的泵浦阈值采用狭缝整形焦点技术辅助2 0 显微物镜横向刻等优势，因此如何制备高质量的主动增益波导就写，当写入脉冲激光能量固定为1.8 J时，光波成为了集成光学关键技术之一：导可以在写入速度从10 m/s至16 0 m/s的窗口磷酸盐基底玻璃在众多氧化物激光介质中，范围内实现，当固定写入速度为40 m/s时，直具有稀土离子溶解度高，不易出现荧光上转换，写波导的脉冲能量范围为1.6 J-2.0J，而写热传导系数高，热膨胀系数低等特点，已经成为入波导的深度在距表面为12 5m-200m时，研究的热点并且已经得到广泛应用16-18 。掺饵磷波导制备效果最佳。通过端耦合系统测得波导近酸盐玻璃具有高掺杂浓度的增益离子、荧光寿命场模式分布，结果显示激光刻写波导的近场模式1ms以及发射波段在1.55 m通信波段附近等分布对称，导光特性良好根据近场模式图片采特点，可满足高增益、高效率、紧凑结构等集成用有限差分方法计算了波导区域的折射率修改分光学的要求，是重要的主动增益器件制备材料。布，所制备波导中折射率修改值最高为n=6.6因此，如何在掺磷酸盐玻璃上制备高性能的光10-4根据截断测量法，所制备波导的传播损波导成为集成光学的一个重要课题传统的光波耗低至0.9 1 dB/cm.导制备方式有离子注人、离子交换等方式19-2 3,2实验装置介绍但是其工艺复杂，而且对环境要求很高，特别是制备过程还要借助于光学掩膜版等辅助手段才可以制备复杂结构的光波导，超短脉冲激光直写波导技术是一种新兴的波导制备手段，它依靠将高峰值功率的超短脉冲聚焦在几微米的尺度内，获得极高的峰值功率密度，从而达到非线性吸收阈波导制备实验装置如图1所示，加工光源采用钛蓝宝石激光放大系统（Spitfire，Sp e c t r a Ph y s-ics），激光输出参数为：重复频率1kHz，光谱宽度12 nm，中心波长8 0 0 nm，脉冲宽度12 0 fs.输出的脉冲激光首先通过由8 0 0 nm的1/2 入波片和044002-2第41卷800nm的偏振器组成的能量调节器，精确控制加工脉冲激光的能量，加工透镜之前由计算机控制的快门来控制激光对样品的辐照时间，加工透镜采用2 0 显微物镜（Mitutoyo，w o r k d is t a n c e=2 0mm，NA=0.42，f=10 m m)实验采用的样品为掺饵磷酸盐玻璃（Er3+：2%w t.，10 mm8 mm3.5mm），被固定在一个三维精密位移平台（Ph y s i k In s t r u m e n t e）上，可以平行于激光传播方向或者垂直于激光传播方向移动：这里要指出的是，由于实验采用垂直于激光传播方向的横向刻写方式，所以在加工透镜之前放置的狭缝起到了整形激光焦点形状的作用，其位置在加工物镜像方主平面后10 cm处，狭缝宽度为450 m.文中所涉及到的加工激光的脉冲宽度和能量均为显微物镜之后测得波导加工长度为9mm，在波导两端均与玻璃表面有50 0 m间隙，避免了测试波导近场模式和插人损耗时两端抛光处理在波导上方通过CCD相机结合相位对比显微镜（Olym-pus BX51）可以实时观测加工过程及所制备波导的形貌等特征近场模式测量采用经典的端耦合装置，光源采用非相干的LED光源及尾纤输出的976nm的半导体LD光源，通过f=13mm的短焦非球面镜注人波导一端，在另一端用10 显微物镜将波导的近场模式成像到CCD相机，以获得波导近场模式分布.3实验结果及分析3.1波导写入参数窗口研究波导的写人制备主要由写入脉冲的能量大小、波导与激光焦点的空间相对位移速度即写人速度、写入激光的脉冲宽度以及激光焦点在玻璃样品中的深度位置等几个重要参数决定因此重点讨论以上几个参数对波导制备的影响，同时给出波导的制备参数范围：3.1.1写入速度对波导形成的影响写入激光为超短脉冲放大系统输出的超短脉冲激光，调节放大器压缩光栅空间位置，控制注入至样品表面的脉冲宽度为12 0 fs，并且将狭缝整形的激光焦点固定在样品表面下2 0 0 m，同时固定写人激光的脉冲能量为1.8 J，采用不同的写人速度制备波导实验结果如图2 所示，当写入速度为10 m/s时，制备波导形貌表现出明显的损伤痕迹，在波导侧面相位对比显微图片(PCM)图片中显示的激光刻写痕迹中既有灰色的白晶，等：超短脉冲激光在掺Er3+磷酸盐玻璃中制备光波导的实验研究ShutterLaserPolarizer图1超超短脉冲激光直写波导实验装置示意图：图中样品移动沿Y方向，CCD是电荷耦合器件，用于实时观察波导刻写过程。Fig.1Experimental setup for ultrashort laserwaveguide direct writing.The motion direc-tion of sample is along the Y axis.Chargecoupling device（CCD）w a s e m p l o y e d t omonitor the interaction region in a side-viewgeometry正折射率修改也有白色的负折射率修改，说明此时沉积到单位长度的脉冲能量过高，超过了材料损伤阈值，不仅有正折射率修改还出现了基底玻璃材料结构的破坏，虽然后续波导近场模式测量显示波导仍可导通，但是其不规则的形貌会增加波导的传输损耗；继续增加写人速度，在写人速度为2 0 m/s时，波导侧面PCM图显示波导形貌规则且激光写入区域为灰色轨迹，说明在此参数之下，仅出现折射率修改，激光焦点区域折射率修改为正值且均匀性较好；当写入速度提高至40m/s时，波导PCM图显示仍然保持均匀的灰色轨迹，其灰度略低于2 0 um/s时的波导轨迹，这也说明沉积到单位长度的能量降低之后，对应的波导正折射率修改会相应降低；继续增加波导写人的速度至8 0 m/s和16 0 m/s，波导侧面PCM均表现为规则均匀的灰色轨迹，只是灰度会随速度增加而逐渐降低，但仍然为正折射率修改，定量的折射率修改规律会在下文中利用波导近场模式反推折射率进行详细的讨论；若刻写速度超过160m/s后，PCM图片显示激光焦点扫过区域内几乎没有折射率修改，近场模式测量显示对应区域也没有出现波导导通现象，说明此参数下的激光辐照量不足以引起波导正折射率的修改因此，在写入激光脉冲固定为1.8 J时，写人速度的窗口范围为10 m/s-160 m/s，在2 0 m/s-80m/s范围内波导刻写效果更佳.044002-3第4期CCD2plateLensSlitObjectiveSample第41卷Pulse energy=1.8 J(b)(C)(d)(e)图2 写人激光脉冲能量固定为1.8 J时，不同写入速度下波导的侧面PCM图.Fig.2Side view PCM images of waveguides withdifferent writing speed parameters underwriting laser pulse energy of 1.8 J.3.1.2写入脉冲能量对波导形成的影响保持写人激光的脉宽仍然为12 0 fs，写人深度距样品表面仍为2 0 0 m，控制写入速度为40m/s，考察波导写人脉冲能量对波导形成的影响当写入脉冲能量低于1.6 J时，激光焦点轨迹上没有任何折射率修改，说明激光能量不足以引起基底材料的折射率修改增加脉冲能量至1.6J，激光焦点轨迹区域出现了灰色痕迹代表的正折射率修改，如图3（a)所示，说明能量已经达到磷酸盐基底玻璃折射率修改阈值；图3（b）显示脉冲能量为1.7 J时，波导的侧面PCM图，相较于1.6 J的脉冲能量对应的波导侧面 PCM图，波导轨迹的灰度值略微增加，这是因为沉积的能量更多，带来的正折射率修改更大；如图3（c）和（d）所示，增加能量至1.8 J和1.9J,波导区域的灰度值持续增加，说明增加能量有助于提高波导区域的折射率增加；当脉冲能量增加至2.0 J时如图3（e）所示，波导轨迹上出现了部分损伤痕迹，说明此时激光脉冲能量过高，达到了材料结构损伤阈值，出现不均匀分布的损伤，增加了波导的传输损耗上述实验结果表明，波导对写人激光脉冲能量极为敏感，其窗口范围仅为1.6 J-2.0 J，其中在1.7 J-1.9 J 范围内，波导制备效果更好3.1.3写入激光脉宽对波导形成的影响实验中我们同样讨论了波导制备与写人激光的脉冲宽度依赖关系，发现当激光放大系统调节到最窄脉冲宽度12 0 fs时，所制备波导正折射率原子与分子物理学报ScanVelocity=40m/s10m/s(a)20m/s(b)40m/s()80m/s()160m/s(e)20um图3写入速度固定为40 um/s时，不同脉冲能量下波导的侧面PCM图.Fig.3 Side view PCM images of waveguides underdifferent writing laser pulse energies with40 m/s writing speed.修改明显且有较大的写入速度窗口，但增加脉冲至150 fs以上之后，波导区域的折射率修改明显降低且写入速度窗口范围缩小，这一实验结果与熔石英玻璃等硅酸盐玻璃基底材料结果类似，均在 150 fs 的窄脉宽时才会有明显的正折射率修改，且激光脉冲脉宽窗口极窄，因此本实验将写人激光的脉冲宽度固定为系统最窄输出脉宽值120fs，以获得较好的波导制备效果.3.1.4写入深度对波导形成的影响由于采用了横向写人结合狭缝整形技术，波导距表面的写人深度也是需要考虑的重要参量，实验中采用了12 5m，2 0 0 m，2 7 5m，32 5um以及37 5m五个不同深度的参数来研究其对波导制备特别是横截面形貌的影响，图4给出了不同深度的波导侧面PCM图片以及波导端面的形貌图，可以看出12 5m和2 0 0 m深度的波导，横截面保持了较好的圆对称性，随着波导深度增加，横截面对称性逐渐降低，这是因为玻璃表面对聚焦激光有像差，在2 0 0 m以内深度的焦点刚好球差最小，同时从侧面PCM也可以看出，在此范围内所波导对应的折射率修改更为明显，也说明同样的脉冲能量沉积在了更小的焦长范围内从而引起更大的折射率修改：因此写人深度窗口最优为12 5 m-200 m.3.2波导导模特性研究除了以波导的侧面PCM图以及横截面形貌图来衡量波导的基本特性，波导的导光特性是衡量波导质量优劣的重要指标，图5（a）和（b）分别044002-4第4期1.6J1.7MJ1.8.WJ1.9WJ2.0.uJ20 um第41卷125m200 umAir275m325um一375um图4固定写入激光脉冲能量为1.8 J和写人速度为40 m/s，不同写入深度下波导横截面形貌显微镜和侧面PCM图Fig.4Cross section microscope images and side viewPCM images of waveguides at different writingdepths with 1.8 J writing laser pulse energyand 40 m/s writing speed.给出了以写人激光脉冲能量为1.8 J和写人速度为40 m/s的参数所制备波导的非相干LED白光近场模式图以及9 7 6 nm半导体激光近场模式图图5（a）中可以看到在可见光波段，波导导光良好，且横截面形貌整齐均匀，没有损伤痕迹图5(b)显示波导在97 6 nm的近红外激光波段，具有良好的导通特性，激光近场模式对称，呈基模高斯分布，近场模式直径约为17.8 m(1/e全宽度）.(a)WL图5写人激光脉冲能量为1.8 uJ和写人速度为40m/s所制备波导的（a）非相干LED光近场模式图和（b）97 6 n m 激光近场模式图：Fig.5The（a)i n c o h e r e n t LED n e a r -f i e l d m o d e i m-age and(b)976nm laser near-field mode im-age of the waveguide prepared with a writing la-ser pulse energy of 1.8 J and writing speed of40 um/s.为了进一步研究激光加工过程中对波导区域的折射率修改情况，本文基于有限差分方法3，根据波导近场模式强度分布，计算了波导横截面折射率修改分布情况图6 为根据图5（b)所示的近场模式强度分布，反推计算了基底材料在1.8J的写入脉冲能量以及40 m/s写入速度条件下的折射率修改分布由图可以看到波导区域的折射率修改与近场模式类似，呈中心对称分布，中心部分折射率修改最大值为n=4.7610-4.随着远离中心位置，其折射率修改量逐渐降低，因为激光焦点能量分布仍呈高斯对称分布，中心区白晶，等：超短脉冲激光在掺Er3+磷酸盐玻璃中制备光波导的实验研究EndviewSide view(b)976nm第4期域的脉冲峰值功率最高，由其带来的非线性吸收和等离子体能量也越高，与基底材料网络结构的作用也就越强烈，引起的折射率修改也就越大，其折射率修改也呈对称分布，直径约为18 m左右，与图5（b）所示的近场模式强度分布吻合。这里还值得注意的一点是，波导和基底的交界区域出现了环形的折射率降低修改区域（图6 中显示为蓝色环状区域），其折射率低于基底材料的折射率，原因是，波导中心区域由于脉冲激光作用产生致密化现象，导致材料由波导边缘向中心部分向内压缩，波导边缘部分的材料密度降低，折射率下降，产生环形折射率降低区域此现象同时会增加波导芯层和包层的折射率差值，提高波导对光的限制能力，有利于获得良好的波导导光模式，1510(wn)aoueisia5-5-10-1510um图6 写入激光脉冲能量为1.8 J和写入速度为40um/s所制备波导的相对折射率分布图。Fig.6The relative refractive index profile ofwaveguide prepared with writing laser pulseenergy of 1.8 J and writing speed of 40um/s.采用上文所述有限差分方法，根据波导近场强度分布，计算了不同写入参数下所制备波导的折射率修改分布图图7（a）给出了在固定写入脉冲能量为1.8 J条件下，不同写人速度与所制备波导的折射率修改关系可以看到，在写入速度为10 m/s时，激光刻写波导的折射率中心最大值最高，达到5.97 10-4.随着写人速度逐渐增加，折射率修改最大值逐渐降低，这是由于写人速度增加导致沉积到单位长度的脉冲能量降低，对区域内折射率的修改也逐渐降低，对光束的限制能力也逐渐降低；当写人速度为16 0 m/s时，折射率修改量低至1.510-4，如果继续增加写人速度，则激光焦点扫描痕迹内折射率几乎没有044002-543210-1-2-3-4-5-6-15-10-5051015Distance(um)10-4第41卷修改，不会形成波导，图7（b）给出了固定写人速度为40 m/s条件下，不同写入脉冲能量与所制备的波导的折射率修改关系。由图可知，在写人脉冲能量为1.6 J时，制备波导的中心折射率修改值最低，为3.36 10-4，随着写入脉冲能量逐渐增加，波导区域的折射率修改最大值也逐渐X10465原子与分子物理学报增加；当脉冲能量为2.0 J时，可达到6.6 10-4，因为在相同写人速度下，提高脉冲能量可以增加波导区域沉积的激光能量，增加波导折射率修改幅度，当脉冲能量低于1.6 J时，不足以引起材料折射率修改，当脉冲能量超过2.0 J时，会出现材料损伤，引起传输损耗明显增加。104pulse energy=1.8 Jscanvelocity=40m/s6第4期43+2入02040 6080100120140160Scanvelocity(um/s)(a)图7（a）写人激光脉冲能量固定为1.8 J时，波导折射率修改随写人速度的变化关系；（b）写入速度固定为40 m/s时，波导折射率修改随写入激光脉冲能量的变化关系。Fig.7(a)Modification of the refractive index of the waveguide at dfferent writing speeds with a writinglaser pulse energy of 1.8J;(b)Modification of the refractive index of the waveguide with differ-ent writing laser pulse energies at a writing speed of 40 m/s.3.3波导传输损耗特性研究实验中同一刻写参数下分别制备了5mm，6mm，7 m m，8 m m，9m m 五种不同长度的波导，采用截断测量法评估所制备波导的传输损耗各波导的入射端距样品表面都保持50 0 m的距离，各波导出射端口在样品内部不同位置，样品两侧表面做抛光处理，减小测量误差，在波导人射端口采用端耦合方式通过短焦透镜（f=10mm）对波导注人10 30 nm激光，以避免Er3+离子在97 6 nm的吸收峰对传输损耗测量的影响，不同长度波导保持相同注人条件（相同功率激光和相同焦距注人透镜），成像所用CCD相机更换为激光功率计，测量各波导输出端的激光功率，从而获得各波导的插入损耗：图8 给出了以写入脉冲能量为1.8J，写入速度为40 m/s时制备的不同长度的波导插人损耗，对插入损耗数据做线性拟合，其斜率代表此参数所制备波导的传输损耗，即0.96dB/cm，其截距1.56 dB代表制备波导的耦合损耗，耦合损耗是由于注人激光的模式和波导模式之间的差异以及样品两侧表面的菲涅尔反射带来的。301801.62.52.42.32.22.12.0图8以写人激光脉冲能量为1.8 J和写入速度为40m/s所制备不同长度波导的插入损耗及传输损耗拟合Fig.8 Ftting of insertion loss and propagation loss ofwaveguides with different lengths prepared withwriting laser pulse energy of 1.8 J and writingspeed of 40m/s.根据上述截断损耗测量法，表1和表2 分别给出了图2 和图3中不同参数所制备波导的传输损耗从表1中可以看出，写人脉冲能量固定为044002-61.7Pulseenergy(uJ)(b)Experimental dataLinearfit0.50.6Waveguide length(cm)1.80.71.9y=0.96x+1.560.820.9第41卷1.8J时，在2 0 m/s-160m/s的写人速度范围内，波导传输损耗随着写入速度增加而逐渐增加，这是因为波导写入速度增加，对应波导区域正折射率修改值逐渐降低，波导对光的限制能力也逐渐降低，波导模场直径会逐渐增加，而更大的模场区域会带来更多的散射损耗，从而传输损耗逐渐增加；而写人速度为10 m/s时，波导区域折射率修改更大，波导限制光能力更强，但是从图2（a）中PCM图片可知，高能量脉冲的沉积同时会带来部分区域出现损伤痕迹，这种损伤对于波导的均匀性影响明显，会带来更大的散射损耗因此，波导传输损耗升高至1.9 1dB/cm表2中，波导写人速度固定为40 m/s，在1.6 J-1.9J的写人脉冲能量范围内，波导传输损耗随着写人脉冲能量增加而逐渐降低，这是由于波导写入脉冲能量增加，超短脉冲激光对材料折射率修改值也逐渐增加，波导对光的限制能力逐渐提高，波导的模场直径逐渐减小，较小的模场区域降低了对光的散射损耗，因此波导传输损耗逐渐降低；当写人脉冲达到2.0 J时，波导区域折射率修改更大，模场直径更小，但是图3（e）所示波导PCM图片显示波导轨迹出现部分损伤，这种损伤带来了较大的散射损耗，波导传播损耗增加至 2.0 dB/cm.表1写人激光脉冲能量为1.8 J，不同写入速度制备波导对应的传播损耗Table 1 Propagation losses corresponding to different scanspeeds with writing laser pulse energy of 1.8 J.Writing laser pulse energy is 1.8 JScan speed(m/s)10Propagation loss(dB/cm)1.910.910.961.031.17表2 写人速度为40 m/s，不同写人激光脉冲能量制备波导对应的传播损耗Table 2 Propagation losses corresponding to different writinglaser pulse energies with writing speed of 40 m/s.laserpulse energy(J)2.0Propagation loss(dB/cm)1.191.070.960.932.04结论本文采用狭缝整形横向写入方式，用超短脉冲激光在掺Er3+磷酸盐玻璃内部制备了掩埋光波导结构，并详细研究了写入脉冲能量、写入速度、白晶，等：超短脉冲激光在掺Er3+磷酸盐玻璃中制备光波导的实验研究Opt.Lett.,2021,46:3536.4Sohler W,Hu H,Ricken R,et al.Integrated opticaldevices in lithium niobate J.Opt.Photon.News,2008,19:24.2040Scan speed is 160 m/s1.61.7第4期脉冲宽度以及刻写深度对波导形成的影响，实验结果显示写人激光脉冲宽度为12 0 fs和写人深度在12 5m-200m范围时，波导制备效果最佳；在此参数下，控制写人激光脉冲能量为1.8 J时，波导制备的写人速度窗口为10 m/s16 0m/s；在写入速度固定为40 m/s时，波导制备的写入脉冲能量窗口为1.6 J-2.0J.近场模式测量结果表明波导导光性能良好，近场模式对称分布有限差分方法反推波导折射率分布显示所制备波导中折射率修改值最高达到An=6.610-4根据截断测量法评估波导传播损耗，所制备波导的传播损耗低至0.91dB/cm.实验结果表明在掺Er+磷酸盐玻璃内部可以写人低传输损耗的单模光波导，为下一步实现波导激光器和波导放大器等主动光波导器件提供了有力技术支持。参考文献：1Murphy E J.Integrated optical circuits and compo-nents:design and applications M.New York:Mar-cel Dekker,1999.2Li L Q,Nie W J,Li Z Q,et al.Laser-writing of ring-shaped waveguides in BCO crystal for telecommuni-cation band J.Opt.Exp.,2017,25:24236.3Wang X B,Zhang M L,Jiang M H,et al.Monolithicintegrated waveguide device with dual functions of elec-tro-optic modulation and optical amplification J.801601.81.95Dai D X.Silicon polarization beam splitter based on anasymmetrical evanescent coupling system with three op-tical waveguides J.J.Lightwave Technol.,2012,30:3281.6Hu C R,Pan A,Li T A,et al.High-efficient cou-pler for thin-film lithium niobate waveguide devicesJ.Opt.Exp.,2021,29:5397.7Bai J,Cheng G H,Long X W,et al.Polarization be-havior of femtosecond laser written optical waveguidesin Ti:SapphireJ.Opt.Exp.,2012,20:15035.8Waeselmann S H,Riter C E,Kip D,et al.Nd:sap-phire channel waveguide laser J.Opt.Mater.Exp.,2017,7:2361.9Chen Z X,Xu Q,Zhang K,et al.Efficient erbium-doped thin-film lithium niobate waveguide amplifiersJ.Opt.Lett.,2021,46:1161.044002-7第41卷10 Della Valle G,Taccheo S,Osellame R,et al.1.5 msingle longitudinal mode waveguide laser fabricated byfemtosecond laser writing J.Opt.Exp.,2007,15:3190.11vanDalfsen K,Aravazhi S,Grivas C,et al.Thuliumchannel waveguide laser with 1.6 W of output powerand 80%slope efficiency 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