手征性耦合芯徑光纖能夠縮放單模光纖的芯徑尺寸──這對于高精度材料加工應用中所需要的高峰值功率激光器的運行是必不可少的。
Phill Amaya
越來越多的高精度材料加工應用需要使用短脈沖激光器。這些應用包括印刷電路板和柔性電路板上的微盲孔鉆孔、半導體存儲器修復、太陽能電池邊緣隔離和薄膜圖形化，以及LED制造中的藍寶石基板劃線。[1]所有這些應用的典型特征都是小型化日益加劇，和/或在降低制造成本方面面臨持續不斷的壓力。
小型化和縮減特征尺寸是采用短脈沖激光的主要原因。為了減小工件上的熱影響區和隨之而來的對附近元件的潛在損害，通常需要小于80ns的脈寬。微米級特征也偏向于更短的波長，因為短波長可以實現更小的聚焦光斑尺寸。材料的吸收特征也是確定激光波長時需要考慮的一個關鍵因素。
此外，隨著特征尺寸的縮小，在單個設備中或單位面積內會出現更多的特征，因此必須增加激光脈沖重復率，否則設備的制造周期將會延長。由于特征是制造于基底之上的，當基底的尺寸同時增長時，上述要求就變得更加迫切。例如，在過去10年中，半導體內存芯片的最小特征尺寸從150μm下降到了60μm。與此同時，硅晶圓的尺寸從200mm增加到了300mm。因此，可以印刷在單個晶圓上的特征數量已經躍升了14倍。在這個例子中，特征尺寸的減小也推動了加工過程采用紫外波長以形成更小的光斑尺寸。這些進展推動激光器開發人員將基頻波長為1.0μm左右的平均輸出功率提高了10倍，并且將應用波長移至355nm。在其他微電子應用中，這種趨勢同樣十分明顯。表面積的增加和加工時間的減少，推動了太陽能電池加工技術的進一步發展。
目前，大多數納秒脈沖應用都是通過二極管泵浦固體（DPSS）激光器來實現的。DPSS激光器的性能反映了超過20年的不斷創新，這是其他激光技術很難匹敵的。然而，有跡象顯示，一些應用需求的發展可能會超過DPSS激光器的實際能力。更小的光斑尺寸要求和材料問題正將脈寬推入皮秒區域，但即使脈沖重復頻率增加，也必須保持所需的單個脈沖能量。創造性的解決方案正在出現，如“雙光束”技術，這一技術通過復用兩個脈沖光源輸出的激光來達到兩倍的脈沖重復率。另一種“混合”方法是利用一個低功率、高脈沖重復率的光纖激光器，通過分離脈沖生成與功率放大這兩項功能來為DPSS放大器提供光源。雖然使用了這些解決方案，但的確增加了成本和復雜性，在其向更高的輸出發展時將有所受限。
光纖激光器
在所有的解決方案中，光纖激光器是理想的能夠滿足當前和發展中的短脈沖應用要求的下一代光源。表1中列出了主要目標規格。光纖激光器具有高單程增益，簡化了放大器的設計，并可直接提高平均功率，這使其對于短脈沖應用來說很有吸引力。在這些應用中，需要高峰值功率運行以達到所需的脈沖能量和脈寬，而要實現高峰值功率運行需要增大光纖芯徑尺寸，這是其難點所在。如果不增大芯徑尺寸，非線性光學效應將會引起光譜展寬和輸出功率的不穩定。目前采用20μm芯徑的雙包層光纖（DCF）的商用光纖激光器，可在10ns脈沖內提供最高25kW的峰值功率，在100kHz的工作頻率下產生25W的平均功率。這只是表1中目標平均功率的四分之一，也是目前DPSS激光器所能達到的平均功率的一半。在一個有望進一步提高功率的解決方案中，包括一種名為手征性耦合芯徑或3C光纖的獨特結構的光纖。[2]
表1：光纖激光器的目標指標
這種3C光纖的芯徑比傳統的雙包層、大模場面積光纖大得多，并且能夠實現單模輸出。手征性耦合芯徑光纖由中心的導引纖芯和至少一根螺旋型圍繞在中心纖芯周圍的衛星纖芯組成（見圖1）。這種結構設計可以有選擇的將中心纖芯中的高階光學模耦合到衛星纖芯（Satellite Core）中，同時只有LP01模在中心纖芯中傳輸。合適的衛星纖芯參數和螺旋周期導致被耦合進入衛星纖芯的光模式被散射到包層中，因而損耗很高。這種概念可以應用到非常大芯徑的光纖的設計中（見圖2）。
圖1：手征性耦合芯徑光纖使用1根中心導引纖芯，以及至少1根螺旋型圍繞在中心纖芯周圍的衛星纖芯。插圖所示的是光纖端面。
圖2：計算得到芯徑為35μm、螺旋周期為9mm的特定3C光纖的模式損耗。其中，LP01基模的損耗小于0.2dB/m，而高階模的損耗大于100dB/m。[2]
3C光纖可直接制備，制備過程與標準的DCF有兩個基本區別。標準DCF是由玻璃預制棒拉制出來的，具有適當摻雜的中心纖芯。預制棒和纖芯的尺寸預先按比例搭配好，這樣在光纖拉絲塔上加熱和拉制時就會縮小到所需要的光纖尺寸。3C光纖的預制棒包括兩根摻雜纖芯。一根纖芯在預制棒的中心軸上，另一根衛星纖芯略微偏離中心軸。接下來，當光纖拉伸時同時旋轉。這種旋轉使得偏離中心軸的衛星纖芯螺旋型圍繞在中心纖芯周圍，產生了所需的螺旋（見圖3）。
圖3：當3C光纖拉制時同時旋轉預制棒，使離軸的衛星纖芯螺旋型圍繞在中心纖芯周圍，產生了所需的螺旋。
3C光纖的一個重要屬性是其性能不依賴于特定的彎曲度，這與標準大模場面積光纖正好相反。大模場面積光纖通過仔細卷繞，從而利用彎曲引起的基模和高階模之間的損耗不同來獲得單模性能，這種方法對芯徑小于25μm的光纖有效。芯徑尺寸越大，這種方法越沒有效果。[3]這種技術對于光束傳輸和光纖元件中的使用來說也是有問題的。由于模式辨別并不依賴于光纖的彎曲度，因此3C光纖可以以筆直或彎曲的形態應用于有源或無源光纖結構中。
芯徑為35μm、摻鐿和未摻鐿（Yb3+）芯層的兩種手征性耦合芯徑光纖，可作為增益光纖并應用于無源光纖元件結構中。針對光纖在MOPA（主控振蕩器功率放大器）結構內性能的實驗室測試結果表明，其產生的平均功率超過100W，脈寬為10ns，在100kHz脈沖重復頻率下的峰值功率達到了100kW（見圖4）。[4]
圖4：測量得到3C光纖的斜率效率（70％）和光束質量。光纖輸出的M2因子達到了1.07。
短脈沖激光器的絕大多數應用都需要可見光和紫外光，認識到這點非常重要，因此合適的光纖激光器光源必須具有穩定的偏振輸出。光纖輸出的偏振光通常是由定向型材料應力所導致的強烈雙折射產生的。通過光纖中的應力棒可以實現偏振輸出，并且適用于光纖芯徑小于10μm的情況。當光纖芯徑增加時，要在光纖芯層的更大截面內產生均勻的應力變得更加困難，這意味著很難獲得高的偏振對比度。由此產生的偏振性能對熱擾動和機械擾動非常敏感，這兩種擾動會造成輸出不穩定。#p#分頁標題#e#
相比之下，3C光纖的設計利用生產過程和光纖結構來獲得低雙折射光纖。這些低雙折射的光纖可以非常穩定地保持輸入光的偏振態（見圖5）。
圖5：將線偏振光入射到4米長的環形3C光纖中，并將光纖從20℃加熱到70℃，同時對輸出光的偏振態進行監測。結果表明偏振軸沒有旋轉，且偏振消光比保持在20dB以上。在顯著的機械擾動和熱擾動下，其保偏性能依舊非常出眾。
對縮小元件尺寸和降低制造成本的不懈追求，將繼續推動對更高性能的短脈沖激光器的需求。作為最新的創新之一，3C光纖具有更高的性能，可以滿足人們對于小型化和低成本的需求。更大芯徑的單模光纖所具有的性能潛力有望使其不僅僅可應用于材料加工。已經開展的使用3C光纖的三個熱點科研應用是：定向能武器、激光等離子體極紫外光刻和超快光譜。
在定向能應用中，需要更大的光纖芯徑以獲得所需的連續波功率，同時保持單一偏振態的窄光譜線寬。光纖激光器具有高電光效率、小尺寸，可以實現更加可靠的產品組裝，是定向能應用的理想選擇。極紫外光刻正向依賴于大型CO2、脈沖激光光源的大批量半導體生產邁進。基于大芯徑單模光纖的研究表明，通過在光譜上疊加高功率脈沖光纖激光器光源，可能建成更高效、更緊湊并且可升級的激光器光源。[5]最后，大芯徑單模光纖是為實際應用的超快光譜系統提供小型、耐用光源的一個關鍵因素。
參考文獻：
- S. Geiger, "Tailoring the performance of q-switched, solid state lasers – why and how," Solid State Lasers XV: Technology and Devices, Proc. SPIE, Vol. 6100, pp. 458–466 (2006).
- A. Galvanauskas, M.C. Swan, C.H. Liu, "Effectively-Single-Mode Large
Core Passive and Active Fibers with Chirally-Coupled-Core structures," CLEO/QELS Conf. and Photon. Appl. Sys. Technol., OSA Technical Digest (CD), Optical Society of America, paper CMB1 (2008). - M. Li, X. Chen, A. Liu, S. Gray, J. Wang, D. Walton, L. Zenteno, "Effective Area Limit for Large Mode Area Laser Fibers," OFC/NFOEC, OSA Technical Digest (CD), Optical Society of America, paper OTuJ2 (2008).
- C. Liu, S. Huang, C. Zhu, A. Galvanauskas, "High Energy and High Power Pulsed Chirally-Coupled Core Fiber Laser System," in Advanced Solid-State Photonics, OSA Technical Digest Series (CD), Optical Society of America, paper MD2 (2009).
- K.-C. Hou, S. George, A.G. Mordovanakis, K. Takenoshita, J. Nees, B. Lafontaine, M. Richardson, and A. Galvanauskas, "High power fiber laser driver for efficient EUV lithography source with tin-doped water droplet targets," Opt. Exp. 16, pp. 965–974 (2008).
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