Cercetătorii de la Universitatea din Oxford au folosit un laser femtosecunde pentru a scrie sute de ghiduri de undă în safir, sugerând că cipurile fotonice din safir dețin promisiunea de fezabilitate în lumea reală.
Figura 1: Cip fotonic integrat cu safir de 4 cm lungime.
Circuitele integrate fotonice (PIC) necesită integrarea compactă a dispozitivelor fotonice pe un material substrat al corpului, care este utilizat în prezent în principal ca sticlă. Sticla are propriile sale limitări, așa că cercetătorii de la Universitatea Oxford din Marea Britanie explorează utilizarea safirului ca material substrat alternativ la sticla.
Construirea de circuite fotonice integrate de înaltă calitate în safir ar putea deschide multe posibilități noi pentru aplicații precum comunicațiile, detectarea sau calculul cuantic.
„Piedele de bază ale oricărui circuit fotonic compact sunt ghidurile de undă”, spune Mohan Wang, cercetător la Departamentul de Științe Inginerie de la Universitatea Oxford, „și putem folosi fabricarea laser pentru a „scrie” în safir într-un model proiectat de Atunci când injectăm lumină în rețelele de ghiduri de undă, lumina se propagă de-a lungul traseului proiectat, astfel încât să putem scrie sute de ghiduri de undă în safir pentru funcții foarte complexe.”
Laserul de femtosecundă scrie ghiduri de undă în safir
Laserele femtosecunde pot scrie aceste ghiduri de undă în bucăți mari de material, deoarece laserele femtosecunde sunt extrem de intense și pot fi focalizate la scara micrometrică. „Acest lucru duce la ionizare neliniară în materialul din volumul focal, ceea ce duce la o schimbare a indicelui de refracție”. Wang a spus: „Prin mișcarea relativă între laserul de femtosecundă și materialul în vrac din safir, care este montat pe o platformă tridimensională de nanoprecizie, de-a lungul traiectoriei proiectate, este posibil să scriem căile fotonice integrate pe care le-am proiectat pe substratul de safir. "
Ghidurile de undă sunt formate din regiuni de material cu un indice de refracție ridicat față de regiunile înconjurătoare, iar cel mai comun material utilizat în fotonica integrată este sticla.
„Expunerea sticlei la un laser de femtosecundă crește indicele său de refracție, așa că scrierea ghidului de undă prin scanarea laserului de-a lungul interiorului probei este simplă”. Wang spune: „Dar în cristalele de safir, laserul scade indicele de refracție. Așa că, în loc să scriem ghidul de undă acolo unde vrem, scriem pe exteriorul lui pentru a scădea indicele de refracție din zona înconjurătoare. Aceasta se numește o placare încasată. ghid de undă și l-am folosit în lucrările noastre anterioare despre fibrele de safir.”
De data aceasta, au îmbunătățit procesul și au redus pierderea optică a ghidului de undă în comparație cu munca anterioară a grupului despre safir. Acest lucru le permite să scrie acum ghiduri de undă cu lungimea de 4 cm, ceea ce înseamnă, de asemenea, că pot scrie structuri mai complexe, cum ar fi splitterele optice 1:2 (vezi Figura 1).
Echipa și-a optimizat blocurile de bază ale ghidului de undă și a făcut mai multe copii ale acestora. „Procesul a fost foarte bine controlat și toate rezultatele au fost aceleași. Acest lucru ne-a făcut să realizăm că cipurile fotonice integrate din safir au o perspectivă realistă de fezabilitate”.
Calibrarea procesului de scriere cu laser
O provocare uriașă în acest proces a fost însă calibrarea procesului de scriere cu laser.
Wang explică că modificările indicelui de refracție „sunt esențiale pentru proiectarea structurilor optimizate, iar acest lucru este valabil mai ales pentru cristale, deoarece acestea au un indice de refracție ridicat și multe măsurători ale indicelui de refracție sunt distructive. Dar scrierea circuitelor fotonice necesită un control foarte precis al laserului modificat. profil, astfel încât o caracterizare rapidă este, de asemenea, de dorit.”
Pentru a face acest lucru rapid, cercetătorii au scris un design de matrice liniară pentru a oferi un model unic de ieșire. Modelul este direct corelat cu modificările indicelui de refracție și poate fi folosit ca amprentă, spune Wang: „Prin corelarea acestor modele cu un set de simulări, putem identifica modulația exponențială. Permite o calibrare rapidă și fiabilă înainte de fiecare fabricație”.
Julian Fells, cercetătorul principal al proiectului, spune că, deoarece safirul este un material foarte dur și rezistent, „poate rezista la temperaturi ultra-înalte de până la 2,000 grade și la radiații mari. Aceste proprietăți îl fac potrivit. pentru medii extreme precum aerospațiale, spațiul și generarea de energie.În plus, safirul are o fereastră spectrală foarte largă în regiunea infraroșu mijlociu, o fereastră care poate fi folosită pentru aplicații medicale.Prin creșterea complexității circuitelor fotonice, senzori de performanță mai ridicată și sunt așteptate dispozitive.”
Echipa a demonstrat deja blocurile de bază ale cipului fotonic, iar acum lucrează activ pentru a reduce pierderile și a extinde complexitatea circuitelor și mai mult.
