手征性耦合芯徑光纖能夠縮放單模光纖的芯徑尺寸──這對(duì)于高精度材料加工應(yīng)用中所需要的高峰值功率激光器的運(yùn)行是必不可少的。

Phill Amaya

越來越多的高精度材料加工應(yīng)用需要使用短脈沖激光器。這些應(yīng)用包括印刷電路板和柔性電路板上的微盲孔鉆孔、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器修復(fù)、太陽(yáng)能電池邊緣隔離和薄膜圖形化，以及LED制造中的藍(lán)寶石基板劃線。^[1]所有這些應(yīng)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(xù)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(qū)和隨之而來的對(duì)附近元件的潛在損害，通常需要小于80ns的脈寬。微米級(jí)特征也偏向于更短的波長(zhǎng)，因?yàn)槎滩ㄩL(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)更小的聚焦光斑尺寸。材料的吸收特征也是確定激光波長(zhǎng)時(shí)需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素。

此外，隨著特征尺寸的縮小，在單個(gè)設(shè)備中或單位面積內(nèi)會(huì)出現(xiàn)更多的特征，因此必須增加激光脈沖重復(fù)率，否則設(shè)備的制造周期將會(huì)延長(zhǎng)。由于特征是制造于基底之上的，當(dāng)基底的尺寸同時(shí)增長(zhǎng)時(shí)，上述要求就變得更加迫切。例如，在過去10年中，半導(dǎo)體內(nèi)存芯片的最小特征尺寸從150μm下降到了60μm。與此同時(shí)，硅晶圓的尺寸從200mm增加到了300mm。因此，可以印刷在單個(gè)晶圓上的特征數(shù)量已經(jīng)躍升了14倍。在這個(gè)例子中，特征尺寸的減小也推動(dòng)了加工過程采用紫外波長(zhǎng)以形成更小的光斑尺寸。這些進(jìn)展推動(dòng)激光器開發(fā)人員將基頻波長(zhǎng)為1.0μm左右的平均輸出功率提高了10倍，并且將應(yīng)用波長(zhǎng)移至355nm。在其他微電子應(yīng)用中，這種趨勢(shì)同樣十分明顯。表面積的增加和加工時(shí)間的減少，推動(dòng)了太陽(yáng)能電池加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

目前，大多數(shù)納秒脈沖應(yīng)用都是通過二極管泵浦固體（DPSS）激光器來實(shí)現(xiàn)的。DPSS激光器的性能反映了超過20年的不斷創(chuàng)新，這是其他激光技術(shù)很難匹敵的。然而，有跡象顯示，一些應(yīng)用需求的發(fā)展可能會(huì)超過DPSS激光器的實(shí)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?yún)^(qū)域，但即使脈沖重復(fù)頻率增加，也必須保持所需的單個(gè)脈沖能量。創(chuàng)造性的解決方案正在出現(xiàn)，如“雙光束”技術(shù)，這一技術(shù)通過復(fù)用兩個(gè)脈沖光源輸出的激光來達(dá)到兩倍的脈沖重復(fù)率。另一種“混合”方法是利用一個(gè)低功率、高脈沖重復(fù)率的光纖激光器，通過分離脈沖生成與功率放大這兩項(xiàng)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(fù)雜性，在其向更高的輸出發(fā)展時(shí)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(dāng)前和發(fā)展中的短脈沖應(yīng)用要求的下一代光源。表1中列出了主要目標(biāo)規(guī)格。光纖激光器具有高單程增益，簡(jiǎn)化了放大器的設(shè)計(jì)，并可直接提高平均功率，這使其對(duì)于短脈沖應(yīng)用來說很有吸引力。在這些應(yīng)用中，需要高峰值功率運(yùn)行以達(dá)到所需的脈沖能量和脈寬，而要實(shí)現(xiàn)高峰值功率運(yùn)行需要增大光纖芯徑尺寸，這是其難點(diǎn)所在。如果不增大芯徑尺寸，非線性光學(xué)效應(yīng)將會(huì)引起光譜展寬和輸出功率的不穩(wěn)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(nèi)提供最高25kW的峰值功率，在100kHz的工作頻率下產(chǎn)生25W的平均功率。這只是表1中目標(biāo)平均功率的四分之一，也是目前DPSS激光器所能達(dá)到的平均功率的一半。在一個(gè)有望進(jìn)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(dú)特結(jié)構(gòu)的光纖。^[2]

表1：光纖激光器的目標(biāo)指標(biāo)

這種3C光纖的芯徑比傳統(tǒng)的雙包層、大模場(chǎng)面積光纖大得多，并且能夠?qū)崿F(xiàn)單模輸出。手征性耦合芯徑光纖由中心的導(dǎo)引纖芯和至少一根螺旋型圍繞在中心纖芯周圍的衛(wèi)星纖芯組成（見圖1）。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有選擇的將中心纖芯中的高階光學(xué)模耦合到衛(wèi)星纖芯（Satellite Core）中，同時(shí)只有LP₀₁模在中心纖芯中傳輸。合適的衛(wèi)星纖芯參數(shù)和螺旋周期導(dǎo)致被耦合進(jìn)入衛(wèi)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(yīng)用到非常大芯徑的光纖的設(shè)計(jì)中（見圖2）。

圖1：手征性耦合芯徑光纖使用1根中心導(dǎo)引纖芯，以及至少1根螺旋型圍繞在中心纖芯周圍的衛(wèi)星纖芯。插圖所示的是光纖端面。

圖2：計(jì)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(biāo)準(zhǔn)的DCF有兩個(gè)基本區(qū)別。標(biāo)準(zhǔn)DCF是由玻璃預(yù)制棒拉制出來的，具有適當(dāng)摻雜的中心纖芯。預(yù)制棒和纖芯的尺寸預(yù)先按比例搭配好，這樣在光纖拉絲塔上加熱和拉制時(shí)就會(huì)縮小到所需要的光纖尺寸。3C光纖的預(yù)制棒包括兩根摻雜纖芯。一根纖芯在預(yù)制棒的中心軸上，另一根衛(wèi)星纖芯略微偏離中心軸。接下來，當(dāng)光纖拉伸時(shí)同時(shí)旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)使得偏離中心軸的衛(wèi)星纖芯螺旋型圍繞在中心纖芯周圍，產(chǎn)生了所需的螺旋（見圖3）。

圖3：當(dāng)3C光纖拉制時(shí)同時(shí)旋轉(zhuǎn)預(yù)制棒，使離軸的衛(wèi)星纖芯螺旋型圍繞在中心纖芯周圍，產(chǎn)生了所需的螺旋。

3C光纖的一個(gè)重要屬性是其性能不依賴于特定的彎曲度，這與標(biāo)準(zhǔn)大模場(chǎng)面積光纖正好相反。大模場(chǎng)面積光纖通過仔細(xì)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(duì)芯徑小于25μm的光纖有效。芯徑尺寸越大，這種方法越?jīng)]有效果。^[3]這種技術(shù)對(duì)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(tài)應(yīng)用于有源或無(wú)源光纖結(jié)構(gòu)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(yīng)用于無(wú)源光纖元件結(jié)構(gòu)中。針對(duì)光纖在MOPA（主控振蕩器功率放大器）結(jié)構(gòu)內(nèi)性能的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，其產(chǎn)生的平均功率超過100W，脈寬為10ns，在100kHz脈沖重復(fù)頻率下的峰值功率達(dá)到了100kW（見圖4）。^[4]

圖4：測(cè)量得到3C光纖的斜率效率（70％）和光束質(zhì)量。光纖輸出的M²因子達(dá)到了1.07。

短脈沖激光器的絕大多數(shù)應(yīng)用都需要可見光和紫外光，認(rèn)識(shí)到這點(diǎn)非常重要，因此合適的光纖激光器光源必須具有穩(wěn)定的偏振輸出。光纖輸出的偏振光通常是由定向型材料應(yīng)力所導(dǎo)致的強(qiáng)烈雙折射產(chǎn)生的。通過光纖中的應(yīng)力棒可以實(shí)現(xiàn)偏振輸出，并且適用于光纖芯徑小于10μm的情況。當(dāng)光纖芯徑增加時(shí)，要在光纖芯層的更大截面內(nèi)產(chǎn)生均勻的應(yīng)力變得更加困難，這意味著很難獲得高的偏振對(duì)比度。由此產(chǎn)生的偏振性能對(duì)熱擾動(dòng)和機(jī)械擾動(dòng)非常敏感，這兩種擾動(dòng)會(huì)造成輸出不穩(wěn)定。

相比之下，3C光纖的設(shè)計(jì)利用生產(chǎn)過程和光纖結(jié)構(gòu)來獲得低雙折射光纖。這些低雙折射的光纖可以非常穩(wěn)定地保持輸入光的偏振態(tài)（見圖5）。

圖5：將線偏振光入射到4米長(zhǎng)的環(huán)形3C光纖中，并將光纖從20℃加熱到70℃，同時(shí)對(duì)輸出光的偏振態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明偏振軸沒有旋轉(zhuǎn)，且偏振消光比保持在20dB以上。在顯著的機(jī)械擾動(dòng)和熱擾動(dòng)下，其保偏性能依舊非常出眾。

對(duì)縮小元件尺寸和降低制造成本的不懈追求，將繼續(xù)推動(dòng)對(duì)更高性能的短脈沖激光器的需求。作為最新的創(chuàng)新之一，3C光纖具有更高的性能，可以滿足人們對(duì)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(yīng)用于材料加工。已經(jīng)開展的使用3C光纖的三個(gè)熱點(diǎn)科研應(yīng)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(yīng)用中，需要更大的光纖芯徑以獲得所需的連續(xù)波功率，同時(shí)保持單一偏振態(tài)的窄光譜線寬。光纖激光器具有高電光效率、小尺寸，可以實(shí)現(xiàn)更加可靠的產(chǎn)品組裝，是定向能應(yīng)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(dǎo)體生產(chǎn)邁進(jìn)。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(jí)的激光器光源。^[5]最后，大芯徑單模光纖是為實(shí)際應(yīng)用的超快光譜系統(tǒng)提供小型、耐用光源的一個(gè)關(guān)鍵因素。

參考文獻(xiàn)：

1. 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).
2. 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).
3. 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).
4. 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).
5. 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).