Istraživači sa Univerziteta u Oksfordu koristili su femtosekundni laser za pisanje stotina talasovoda u safiru, što sugeriše da safirni fotonski čipovi obećavaju izvodljivost u stvarnom svetu.
Slika 1: 4 cm dugačak safir integrirani fotonski čip.
Fotonska integrirana kola (PIC) zahtijevaju kompaktnu integraciju fotonskih uređaja na materijalu podloge tijela, koji se trenutno koristi uglavnom kao staklo. Staklo ima svoja ograničenja, pa istraživači sa Univerziteta u Oksfordu u Velikoj Britaniji istražuju upotrebu safira kao alternativnog materijala za podlogu staklu.
Izgradnja visokokvalitetnih integriranih fotoničkih kola od safira mogla bi otvoriti mnoge nove mogućnosti za aplikacije kao što su komunikacije, senzori ili kvantno računanje.
"Osnovni gradivni blokovi svakog kompaktnog fotonskog kola su talasovodi", kaže Mohan Wang, istraživač na Odsjeku za inženjerske nauke na Univerzitetu u Oksfordu, "i možemo koristiti lasersku proizvodnju da 'pišemo' u safir u dizajniranom uzorku od ' talasovodni nizovi. Kada ubrizgamo svjetlost u talasovodne nizove, svjetlost se širi duž dizajnirane putanje tako da možemo napisati stotine valovoda u safiru za vrlo složene funkcije."
Femtosekundni laser ispisuje talasovode u safir
Femtosekundni laseri mogu zapisati ove talasovode u velike komade materijala jer su femtosekundni laseri izuzetno intenzivni i mogu se fokusirati do mikrometarske skale. "Ovo dovodi do nelinearne jonizacije unutar materijala u fokalnom volumenu, što rezultira promjenom indeksa prelamanja." Wang je rekao: "Relativnim kretanjem između femtosekundnog lasera i safirnog materijala, koji je postavljen na trodimenzionalnu nanopreciznu platformu, duž dizajnirane putanje, moguće je napisati integrirane fotoničke putanje koje smo dizajnirali na safirnoj podlozi. "
Talasovode formiraju područja materijala sa visokim indeksom prelamanja u odnosu na okolna područja, a najčešći materijal koji se koristi u integriranoj fotonici je staklo.
"Izlaganje stakla femtosekundnom laseru povećava njegov indeks prelamanja, tako da je pisanje talasovoda skeniranjem lasera duž unutrašnje strane uzorka jednostavno." Wang kaže: "Ali u safirnim kristalima, laser smanjuje indeks loma. Dakle, umjesto da upišemo valovod tamo gdje želimo, mi pišemo na vanjskoj strani da smanjimo indeks loma u okolnom području. To se zove udubljena obloga talasovod, a koristili smo ga u našem prethodnom radu na safirnim vlaknima."
Ovaj put su poboljšali proces i smanjili optički gubitak talasovoda u poređenju sa prethodnim radom grupe na safiru. To im omogućava da sada pišu talasovode duge 4 cm, što takođe znači da mogu pisati složenije strukture kao što su optički razdjelnici 1:2 (vidi sliku 1).
Tim je optimizirao svoje gradivne blokove valovoda i napravio ih više kopija. "Proces je bio veoma dobro kontrolisan i svi rezultati su bili isti. To nas je navelo da shvatimo da integrisani safirni fotonski čipovi imaju realnu perspektivu izvodljivosti."
Kalibracija procesa laserskog pisanja
Ogroman izazov u tom procesu, međutim, bilo je kalibriranje procesa laserskog pisanja.
Wang objašnjava da su promjene indeksa prelamanja "kritične za dizajniranje optimiziranih struktura, a to je posebno istinito za kristale jer imaju visok indeks loma i mnoga mjerenja indeksa refrakcije su destruktivna. Ali pisanje fotonskih kola zahtijeva vrlo preciznu kontrolu laserski modificiranog profila, pa je brza karakterizacija takođe poželjna."
Da bi to učinili brzo, istraživači su napisali dizajn linearnog niza kako bi pružili jedinstveni izlazni obrazac. Uzorak je u direktnoj korelaciji s promjenama indeksa prelamanja i može se koristiti kao otisak prsta, kaže Wang: "Korelacijom ovih obrazaca sa skupom simulacija, možemo identificirati eksponencijalnu modulaciju. Omogućava brzu, pouzdanu kalibraciju prije svake proizvodnje."
Julian Fells, vodeći istraživač na projektu, kaže da, budući da je safir veoma tvrd i otporan materijal, "može izdržati ultra visoke temperature do 2,000 stepena i visoko zračenje. Ova svojstva ga čine pogodnim za ekstremna okruženja kao što su vazduhoplovstvo, svemir i proizvodnja energije. Osim toga, safir ima veoma široki spektralni prozor u srednjem infracrvenom području, prozor koji se može koristiti za medicinske aplikacije. Povećanjem složenosti fotonskih kola, senzori veće performanse i uređaji se očekuju."
Tim je već demonstrirao osnovne građevne blokove fotonskog čipa, a sada aktivno rade na smanjenju gubitaka i još više proširivanju složenosti kola.
