Integrated Optical Waveguide Electric Field Sensors Based on Bismuth Germanate

材料科学 包层(金属加工) 光学 波导管 飞秒 激光器 折射率 光电子学 电场 超短脉冲 折射率分布 物理 量子力学 冶金
作者
Jin Wang,Yilin Song,Xuefei Song,Wei Zhang,Junqi Yang,Zhi Jie Xuan
出处
期刊:Sensors [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:24 (17): 5570-5570
标识
DOI:10.3390/s24175570
摘要

Bismuth germanate (Bi4Ge3O12, BGO) is a widely used optical sensing material with a high electro-optic coefficient, ideal for optical electric field sensors. Achieving high precision in electric field sensing requires fabricating optical waveguides on BGO. Traditional waveguide writing methods face challenges with this material. This study explores using femtosecond laser writing technology for preparing waveguides on BGO, leveraging ultrafast optical fields for superior material modification. Our experimental analysis shows that a cladding-type waveguide, written with a femtosecond laser at 200 kHz repetition frequency and 10.15 mW average power (pulse energy of 50.8 nJ), exhibits excellent light-guiding characteristics. Simulations of near-field optical intensity distribution and refractive index variations using the refractive index reconstruction method demonstrate that the refractive index modulation ensures single-mode transmission and effectively confines light to the core layer. In situ refractive index characterization confirms the feasibility of fabricating a waveguide with a refractive index reduction on BGO. The resulting waveguide has a loss per unit length of approximately 1.2 dB/cm, marking a successful fabrication. Additionally, we design an antenna electrode, analyze sensor performance indicators, and integrate a preparation process plan for the antenna electrode. This achievement establishes a solid experimental foundation for future studies on BGO crystal waveguides in electric field measurement applications.
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