Naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego wykorzystali laser femtosekundowy do napisania setek falowodów w szafirze, co sugeruje, że szafirowe chipy fotoniczne mogą być wykonalne w świecie rzeczywistym.
Rysunek 1: Zintegrowany szafirowy chip fotoniczny o długości 4 cm.
Fotoniczne układy scalone (PIC) wymagają kompaktowej integracji urządzeń fotonicznych z materiałem podłoża korpusu, który jest obecnie używany głównie jako szkło. Szkło ma swoje ograniczenia, dlatego naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego w Wielkiej Brytanii badają zastosowanie szafiru jako alternatywnego materiału podłoża dla szkła.
Budowa wysokiej jakości zintegrowanych obwodów fotonicznych z szafiru może otworzyć wiele nowych możliwości w zastosowaniach, takich jak komunikacja, wykrywanie czy obliczenia kwantowe.
„Podstawowymi elementami każdego kompaktowego obwodu fotonicznego są falowody” – mówi Mohan Wang, badacz na Wydziale Nauk Inżynieryjnych Uniwersytetu Oksfordzkiego – „i możemy wykorzystać technologię laserową do „zapisania” w szafirze zaprojektowanego wzoru ' matryce falowodowe. Kiedy wstrzykniemy światło do matryc falowodowych, światło rozchodzi się wzdłuż zaprojektowanej ścieżki, dzięki czemu możemy napisać setki falowodów w szafirze dla bardzo złożonych funkcji.
Laser femtosekundowy zapisuje falowody w szafirze
Lasery femtosekundowe mogą zapisywać te falowody w dużych kawałkach materiału, ponieważ lasery femtosekundowe są niezwykle intensywne i można je ogniskować w skali mikrometrycznej. „Prowadzi to do nieliniowej jonizacji w materiale w ogniskowej, co powoduje zmianę współczynnika załamania światła”. Wang powiedział: „Dzięki względnemu ruchowi lasera femtosekundowego i szafirowego materiału sypkiego, który jest zamontowany na trójwymiarowej platformie nanoprecyzyjnej, wzdłuż zaprojektowanej trajektorii, możliwe jest zapisanie zintegrowanych ścieżek fotoniki, które zaprojektowaliśmy na szafirowym podłożu. "
Falowody składają się z obszarów materiału o wysokim współczynniku załamania światła w stosunku do otaczających je obszarów, a najpowszechniejszym materiałem stosowanym w fotonice zintegrowanej jest szkło.
„Wystawienie szkła na działanie lasera femtosekundowego zwiększa jego współczynnik załamania światła, więc zapisanie falowodu poprzez skanowanie lasera wzdłuż wnętrza próbki jest proste”. Wang mówi: „Ale w kryształach szafiru laser zmniejsza współczynnik załamania światła. Zamiast więc zapisywać falowód tam, gdzie chcemy, piszemy na jego zewnętrznej stronie, aby obniżyć współczynnik załamania światła w otaczającym obszarze. Nazywa się to płaszczem zagłębionym falowodu i używaliśmy go w naszych poprzednich pracach nad włóknami szafirowymi.”
Tym razem udoskonalili proces i zmniejszyli straty optyczne falowodu w porównaniu z poprzednimi pracami grupy nad szafirem. Dzięki temu mogą teraz pisać falowody o długości 4 cm, co oznacza również, że mogą pisać bardziej złożone struktury, takie jak rozdzielacze optyczne 1:2 (patrz rysunek 1).
Zespół zoptymalizował elementy składowe falowodu i wykonał ich wiele kopii. „Proces był bardzo dobrze kontrolowany, a wszystkie wyniki były takie same. To uświadomiło nam, że zintegrowane szafirowe chipy fotoniczne mają realne szanse na wykonalność”.
Kalibracja procesu pisania laserowego
Ogromnym wyzwaniem w tym procesie była jednak kalibracja procesu pisania laserowego.
Wang wyjaśnia, że zmiany współczynnika załamania światła „są krytyczne dla projektowania zoptymalizowanych struktur, co jest szczególnie prawdziwe w przypadku kryształów, ponieważ mają one wysoki współczynnik załamania światła, a wiele pomiarów współczynnika załamania światła ma charakter destrukcyjny. Ale pisanie obwodów fotonicznych wymaga bardzo precyzyjnej kontroli zmodyfikowanego laserowo profilu, dlatego pożądana jest również szybka charakterystyka.”
Aby zrobić to szybko, badacze opracowali projekt układu liniowego, który zapewnia unikalny wzór wyjściowy. Wzór jest bezpośrednio powiązany ze zmianami współczynnika załamania światła i można go wykorzystać jako odcisk palca, mówi Wang: „Korelując te wzory z zestawem symulacji, możemy zidentyfikować modulację wykładniczą. Umożliwia to szybką i niezawodną kalibrację przed każdą produkcją”.
Julian Fells, główny badacz projektu, twierdzi, że szafir jest materiałem bardzo twardym i sprężystym, „może wytrzymać bardzo wysokie temperatury do 2,000 stopnia i wysokie promieniowanie. Te właściwości sprawiają, że nadaje się do ekstremalnych środowisk, takich jak lotnictwo, przestrzeń kosmiczna i wytwarzanie energii. Ponadto szafir ma bardzo szerokie okno widmowe w obszarze średniej podczerwieni, które można wykorzystać do zastosowań medycznych. Zwiększając złożoność obwodów fotonicznych, czujniki mają wyższą wydajność i urządzeń są oczekiwane.”
Zespół zademonstrował już podstawowe elementy składowe chipa fotonicznego, a teraz aktywnie pracuje nad zmniejszeniem strat i jeszcze większym zwiększeniem złożoności obwodów.
