Изследователи от Оксфордския университет са използвали фемтосекунден лазер, за да напишат стотици вълноводи в сапфир, което предполага, че сапфирените фотонни чипове имат обещанието за осъществимост в реалния свят.
Фигура 1: 4 cm дълъг сапфирен интегриран фотонен чип.
Фотонните интегрални схеми (PIC) изискват компактно интегриране на фотонни устройства върху материал на субстрата на тялото, който в момента се използва главно като стъкло. Стъклото има своите ограничения, така че изследователи от Оксфордския университет в Обединеното кралство проучват използването на сапфир като алтернативен субстратен материал на стъклото.
Изграждането на висококачествени интегрирани фотонни схеми в сапфир може да отвори много нови възможности за приложения като комуникации, сензори или квантови изчисления.
„Основните градивни елементи на всяка компактна фотонна верига са вълноводи“, казва Мохан Уанг, изследовател в Департамента по инженерни науки в Оксфордския университет, „и ние можем да използваме лазерно производство, за да „пишем“ в сапфир в проектиран модел на "вълноводни решетки. Когато инжектираме светлина във вълноводните решетки, светлината се разпространява по проектирания път, така че можем да напишем стотици вълноводи в сапфир за много сложни функции."
Фемтосекунден лазер записва вълноводи в сапфир
Фемтосекундните лазери могат да записват тези вълноводи в големи парчета материал, тъй като фемтосекундните лазери са изключително интензивни и могат да бъдат фокусирани до микрометрова скала. "Това води до нелинейна йонизация в материала във фокусния обем, което води до промяна в индекса на пречупване." Уанг каза: „Чрез относително движение между фемтосекундния лазер и сапфирения насипен материал, който е монтиран върху триизмерна нанопрецизна платформа, по проектираната траектория, е възможно да напишем интегрираните фотонни пътеки, които проектирахме върху сапфирения субстрат. "
Вълноводите се формират от участъци от материал с висок индекс на пречупване спрямо заобикалящите ги участъци, а най-често срещаният материал, използван в интегрираната фотоника, е стъклото.
„Излагането на стъкло на фемтосекунден лазер увеличава неговия индекс на пречупване, така че писането на вълновода чрез сканиране на лазера по вътрешността на пробата е лесно.“ Уанг казва: „Но в сапфирените кристали лазерът намалява индекса на пречупване. Така че вместо да напишем вълновода, където го искаме, ние пишем от външната му страна, за да намалим индекса на пречупване в околната област. Това се нарича вдлъбната облицовка вълновод и го използвахме в предишната ни работа върху сапфирените влакна."
Този път те са подобрили процеса и са намалили оптичните загуби на вълновода в сравнение с предишната работа на групата върху сапфира. Това им позволява сега да пишат вълноводи с дължина 4 см, което също означава, че могат да пишат по-сложни структури като оптични сплитери 1:2 (вижте Фигура 1).
Екипът оптимизира своите вълноводни градивни блокове и направи множество копия от тях. „Процесът беше много добре контролиран и всички резултати бяха еднакви. Това ни накара да осъзнаем, че интегрираните сапфирени фотонни чипове имат реалистична перспектива за осъществимост.“
Калибриране на процеса на лазерно писане
Огромно предизвикателство в процеса обаче беше калибрирането на процеса на лазерно писане.
Уанг обяснява, че промените в индекса на пречупване "са критични за проектирането на оптимизирани структури и това е особено вярно за кристалите, защото те имат висок индекс на пречупване и много измервания на индекса на пречупване са разрушителни. Но писането на фотонни вериги изисква много прецизен контрол на лазерно модифицираните профил, така че бързото характеризиране също е желателно."
За да направят това бързо, изследователите написаха дизайн на линеен масив, за да осигурят уникален изходен модел. Моделът е пряко свързан с промените в индекса на пречупване и може да се използва като пръстов отпечатък, казва Уанг: „Чрез съпоставянето на тези модели с набор от симулации можем да идентифицираме експоненциална модулация. Това позволява бързо и надеждно калибриране преди всяко производство.“
Джулиан Фелс, водещият изследовател на проекта, казва, че тъй като сапфирът е много твърд и еластичен материал, „той може да издържи на свръхвисоки температури до 2, 000 градуса и висока радиация. Тези свойства го правят подходящ за екстремни среди като аерокосмическа, космическа и генериране на енергия.В допълнение, сапфирът има много широк спектрален прозорец в средната инфрачервена област, прозорец, който може да се използва за медицински приложения.Чрез увеличаването на сложността на фотонните вериги, сензорите с по-висока производителност и се очакват устройства."
Екипът вече демонстрира основните градивни елементи на фотонния чип и сега работи активно за намаляване на загубите и разширяване на сложността на веригите още повече.
