[发明专利]远紫外激光使石英玻璃内部密度增大

说明书

本发明要求的优先权来自1999年9月30日提交的美国临时专利申请60/156,737，该临时申请也在这里一起作为参考。

发明背景

本发明涉及用远紫外光(＜300nm)在玻璃上有效地形成光学器件的方法，特别是有关通过光导致折射率改变而在玻璃组分中形成光波导结构的直接写入方法。本发明也涉及用直接写入方法制造光学器件。本发明还涉及大块玻璃基板，密度增大的波导能够直接并有效地写入该基板中。

在通讯领域，诸如光波导和布拉格衍射栅之类的光学器件是众所周知的。在光波导中，被较低折射率包层围绕的较高折射率传导光并能以小的信号衰减长距离地传输大量光信息。光波导纤维是这类器件的原型。凭借有高折射率的不同的芯材料和低折射率的不同的包层材料制作的这类纤维给出了确定的波导结构。布拉格栅是另一种类型的光学器件，它可以用作滤波器以及能从较宽的信号中分出窄的波带。在光导器件的通讯应用中最普通的商用材料是掺杂的石英基组分材料，如锗掺杂的二氧化硅纤芯和纯的，无羟基的无水二氧化硅。

大家知道，激光能用来改变玻璃的折射率，也能在玻璃中产生体缺陷。关于前者，已知使用脉冲紫外辐射的激光可在锗掺杂的二氧化硅芯纤维中写入布拉格栅。近来，在对飞秒激光波长透明的玻璃体内形成光波导的“直接写入”激光方法已经被公开了。该方法中，脉冲大于等于120fs的810nm激光自始至终聚焦在一片垂直于入射光束方向平移的二氧化硅中的焦点上。对一特殊条件下，折射率增加约10^-2的数量级，这一条件是焦点在整个曝光区扫描十次。

使用短脉冲聚焦激光在大块玻璃中形成波导的直接写入方法的一个潜在问题是曝光过度。太高能量的辐射能导致玻璃中的体缺陷。玻璃的体缺陷和损伤会使通过玻璃传输的光信号产生不希望的衰减。

直接写入方法制造光学结构的另一个问题是有关写入器件的尺寸稳定性之间的权衡，即有关在基板材料中导致所希望的折射率变化所需要的激光和能量。

为了使激光直接写入方法产业化，材料折射率的变化必须在合理的写入时间为内实现。这就要求产生足够增大折射率的石英基光学器件的直接写入方法要以可接受的高写入速率进行。这样的方法能用来在一连续的大块合适材料中写入连接任意二点的导光波导，或者制造其它光学器件，如布拉格栅。

掺锗二氧化硅常用作为折射率能随光改变的材料。在掺锗二氧化硅的光敏响应中，加H₂是典型的提高玻璃光敏响应的方法。在这种情况下，折射率提高的机理是借助通过Kramer-Kronig关系形成色心的机理。加H₂的使用导致逻辑的结果，包括对块材料加H₂所需要的时间，特别是在低到使H₂不足以与材料反应的温度下注入H₂的时间变得阻止性地长。例如，3mm厚的石英玻璃片，在150℃下加H₂需要36天。一旦使H₂进入材料，结果就成为含H₂的玻璃片，尽管对块材料来说，这是很有的结果。

通过使密度提高来提高折射率提供了不需要用加H₂来处理材料的优点。对诸如光纤和薄片这类小尺寸玻璃结构来说，加H₂是可以使用的，因此在这种尺寸下，H₂能容易地扩散进去，对于在较大尺寸的玻璃体内进行三维的选址和写入，就不可实施了，这是因为H₂扩散到玻璃体内部深处和玻璃的吸收特性方面存在问题和困难。该发明的另一个潜的优点是用加H₂掺锗石英典型地经历了低温下的热退火，在这期间栅是“固定的”，从而写入了热稳定性的特征。这热退火降低了约30％的栅的效率而帮助确保在效率方面进一步变化的最小化。创造性地利用增大密度的机理获得了为了“固定”而不需要热处理的特点并且通常即使在几百度温度下仍保持更好的热坚韧性，从而深深地写入到快状玻璃内离其表面超过2cm的深度。

大家知道，高纯熔融石英，例如，用准分子激光小平板系统(激光束使该平极曝光)在高能辐射和激光下持续曝光能在熔融石英光学元件中产生可度量的密度增大效应。

发明概要

本发明的一个目的是提供一种在石英基材料基板内形成光导结构的改进的直接写入方法，特别是希望在玻璃中内在地和有效地写入三维光导结构。聚焦的远紫外激光束穿过大尺寸块状玻璃内部移动以在整个高密度玻璃波导芯结构的玻璃内部形成高密度波导芯结构，该结构能在三个方向经过块状玻璃的多个平面和多个外表面三维地穿过块状玻璃。