Raziskovalci na Univerzi v Oxfordu so uporabili femtosekundni laser za pisanje na stotine valovodov v safir, kar nakazuje, da safirni fotonski čipi obetajo izvedljivost v resničnem svetu.
Slika 1: 4 cm dolg safirni integrirani fotonski čip.
Fotonska integrirana vezja (PIC) zahtevajo kompaktno integracijo fotonskih naprav na material substrata telesa, ki se trenutno uporablja predvsem kot steklo. Steklo ima svoje omejitve, zato raziskovalci na Univerzi v Oxfordu v Združenem kraljestvu raziskujejo uporabo safirja kot alternativnega substratnega materiala steklu.
Izgradnja visokokakovostnih integriranih fotonskih vezij v safirju bi lahko odprla številne nove možnosti za aplikacije, kot so komunikacije, zaznavanje ali kvantno računalništvo.
"Osnovni gradniki vsakega kompaktnega fotonskega vezja so valovod," pravi Mohan Wang, raziskovalec na Oddelku za inženirske vede na Univerzi v Oxfordu, "lasersko izdelavo pa lahko uporabimo za 'zapisovanje' v safir v oblikovanem vzorcu ' valovodnih nizov. Ko vbrizgamo svetlobo v valovodne nize, se svetloba širi po načrtovani poti, tako da lahko v safirju zapišemo na stotine valovodov za zelo zapletene funkcije."
Femtosekundni laser zapisuje valovode v safir
Femtosekundni laserji lahko zapišejo te valovode v velike kose materiala, ker so femtosekundni laserji izjemno intenzivni in jih je mogoče fokusirati do mikrometrske lestvice. "To vodi do nelinearne ionizacije znotraj materiala v žariščnem volumnu, kar povzroči spremembo lomnega količnika." Wang je dejal: "Z relativnim gibanjem med femtosekundnim laserjem in safirnim razsutim materialom, ki je nameščen na tridimenzionalni nanoprecizni platformi, vzdolž zasnovane trajektorije, je mogoče zapisati integrirane fotonske poti, ki smo jih zasnovali na safirnem substratu. "
Valovode tvorijo območja materiala z visokim lomnim količnikom glede na njihova okoliška področja, najpogostejši material, ki se uporablja v integrirani fotoniki, pa je steklo.
"Izpostavljenost stekla femtosekundnemu laserju poveča njegov lomni količnik, zato je pisanje valovoda s skeniranjem laserja vzdolž notranjosti vzorca preprosto." Wang pravi: "Toda pri safirnih kristalih laser zmanjša lomni količnik. Torej, namesto da valovod zapišemo, kamor želimo, pišemo na zunanjo stran, da znižamo lomni količnik v okolici. To se imenuje vgradna obloga valovod in smo ga uporabili pri prejšnjem delu na safirnih vlaknih."
Tokrat so izboljšali postopek in zmanjšali optično izgubo valovoda v primerjavi s prejšnjim delom skupine na safirju. To jim zdaj omogoča pisanje valovodov, ki so dolgi 4 cm, kar pomeni tudi, da lahko pišejo bolj zapletene strukture, kot so optični razdelilniki 1:2 (glej sliko 1).
Ekipa je optimizirala svoje gradnike valovoda in naredila več kopij le-teh. "Postopek je bil zelo dobro nadzorovan in vsi rezultati so bili enaki. Tako smo ugotovili, da imajo integrirani safirni fotonski čipi realne možnosti za izvedljivost."
Umerjanje postopka laserskega pisanja
Velik izziv v procesu pa je bilo umerjanje postopka laserskega pisanja.
Wang pojasnjuje, da so spremembe lomnega količnika "ključne za načrtovanje optimiziranih struktur, kar še posebej velja za kristale, ker imajo visok lomni količnik in so številne meritve lomnega količnika uničujoče. Toda pisanje fotonskih vezij zahteva zelo natančen nadzor lasersko spremenjenega profila, zato je zaželena tudi hitra karakterizacija."
Da bi to naredili hitro, so raziskovalci napisali zasnovo linearnega niza, da bi zagotovili edinstven izhodni vzorec. Vzorec je neposredno povezan s spremembami lomnega količnika in se lahko uporablja kot prstni odtis, pravi Wang: "S korelacijo teh vzorcev z nizom simulacij lahko prepoznamo eksponentno modulacijo. Omogoča hitro in zanesljivo kalibracijo pred vsako izdelavo."
Julian Fells, glavni raziskovalec pri projektu, pravi, da ker je safir zelo trd in odporen material, "lahko prenese ultra visoke temperature do 2,000 stopinje in visoko sevanje. Zaradi teh lastnosti je primeren za ekstremna okolja, kot so letalstvo, vesolje in proizvodnja električne energije. Poleg tega ima safir zelo široko spektralno okno v srednjem infrardečem območju, okno, ki se lahko uporablja za medicinske aplikacije. S povečanjem kompleksnosti fotonskih vezij so senzorji z večjo zmogljivostjo in naprave se pričakujejo."
Ekipa je že predstavila osnovne gradnike fotoničnega čipa, zdaj pa si aktivno prizadevajo zmanjšati izgube in še bolj razširiti kompleksnost vezij.
