Studies on passive and active ion-exchanged glass waveguides and devices

Abstract

In this work, new techniques for planar lightwave circuits utilizing silver-sodium ion exchange are explored and developed. Self-diffusion coefficient of Ag+ ions and the ratio of the self-diffusion coefficients of Ag+ and Na+ ions are extracted for electric field assisted thin-film ion exchange in Schott IOG-1 phosphate glass. These are used to find the fabrication parameters for singlemode channel waveguides operating at 1550 nm wavelength region used in telecommunication networks. Birefringence properties of buried molten salt ion-exchanged waveguides are explored. It is shown that waveguides with zero birefringence can be obtained by properly adjusting the thermal annealing time. The effect of waveguide mask opening width on waveguide birefringence is investigated. Low birefringence, 10−5 or below, is demonstrated for both the even and odd mode.

Photosensitivity properties of both undoped and Er-Yb-codoped IOG-1 glass are studied. A new approach to fabricate waveguide Bragg gratings through UV exposure in IOG-1 glass is presented. High quality waveguide Bragg gratings with reflectivity of the order of 80% are demonstrated in undoped IOG-1 glass. Waveguide Bragg gratings with lower reflectivity (R ∼ 15%) are fabricated in Er-Yb-codoped IOG-1 glass. A singlemode waveguide laser utilizing this kind of a narrowband UV-written waveguide Bragg grating in hybrid IOG-1 glass is demonstrated. Also, the results of a material study of the effect of UV light exposure on this phosphate glass are presented.

In addition, multimode short cavity waveguide laser cavities are designed and fabricated for high repetition rate pulsed lasers. The possibility to utilize these waveguide lasers in modelocking and/or Q-switching applications is analyzed.

Tässä työssä tutkittiin ja kehitettiin uusia menetelmiä integroidun optiikan piireihin hopea-natrium ionivaihtotekniikkaa hyödyntäen. Diffuusioparametrit sähkökenttäavusteiselle hopeakalvo-ionivaihdolle Schott IOG-1-lasissa iteroitiin vertaamalla prismakytkennän avulla mitattua taitekerroinprofiilia teoreettisesti mallitettuun taitekerroinprofiiliin. Näitä parametrejä voidaan käyttää yksimuotoisten valokanavien valmistamiseen 1550 nm-aallonpituusalueella. Työssä tutkittiin myös haudattujen suolasulasta ionivaihdon avulla valmistettujen valokanavien kahtaistaittavuutta. Haudatuissa valokanavissa voidaan saavuttaa erittäin alhainen kahtaistaittavuus valitsemalla oikea aika lämpökäsittelylle. Valokanavan leveyden vaikutus kahtaistaittavuuteen oli keskeisellä sijalla. Valokanavista mitattu kahtaistaittavuus sekä perusmuodolle (symmetrinen) että toiselle (antisymmetrinen) muodolle on erittäin alhainen (<10-5).

Työssä tutkittiin myös passiivisen ja Er-Yb-seostetun IOG-1-lasin fotosensitiivisyyttä ultraviolettivalolle. Työssä esitetään uusi menetelmä valmistaa Braggin hiloja valokanaviin UV-valon avulla. Passiiviselle lasille valmistetuista Braggin hiloista mitattiin korkea heijatus (noin 80%). Er-Yb-seostetulle substraatille valmistetuista hiloista mitatut heijastukset ovat alhaisempia (noin 15%). Yksimuotoisen valokanavalaserin toiminta demonstroitiin hybridilasilla hyödyntäen substraatin passiiviselle osalle UV-valon avulla valmistettua Braggin hilaa. Työssä tutkittiin myös UV-valon fosfaattilasiin aiheuttamia muutoksia, ja pohdittiin näiden muutosten yhteyttä fotosensitiivisyyden alkuperään.

Lisäksi tässä työssä suunniteltiin ja valmistettiin monimuotoisia, lyhyitä valokanavalaserkaviteetteja nopealla taajuudella toimiviin pulssitettuihin lasereihin. Mahdollisuutta käyttää näitä laserkaviteetteja muotolukituksessa tai Q-kytkennässä tutkittiin.