Forskere ved University of Oxford har brukt en femtosekundlaser for å skrive hundrevis av bølgeledere i safir, noe som tyder på at fotoniske safirbrikker holder løftet om gjennomførbarhet i den virkelige verden.
Figur 1: 4 cm lang safir integrert fotonisk brikke.
Fotoniske integrerte kretser (PICs) krever kompakt integrering av fotoniske enheter på et kroppssubstratmateriale, som for tiden hovedsakelig brukes som glass. Glass har sine egne begrensninger, så forskere ved University of Oxford i Storbritannia utforsker bruken av safir som et alternativt substratmateriale til glass.
Å bygge høykvalitets integrerte fotonikkkretser i sapphire kan åpne opp for mange nye muligheter for applikasjoner som kommunikasjon, sansing eller kvantedatabehandling.
"De grunnleggende byggesteinene i enhver kompakt fotonisk krets er bølgeledere," sier Mohan Wang, en forsker ved Institutt for ingeniørvitenskap ved University of Oxford, "og vi kan bruke laserfabrikasjon til å 'skrive' i safir i et designet mønster av ' bølgelederarrayer. Når vi injiserer lys inn i bølgelederarrayene, forplanter lyset seg langs den utformede banen slik at vi kan skrive hundrevis av bølgeledere i safir for svært komplekse funksjoner."
Femtosekundlaser skriver bølgeledere i safir
Femtosekundlasere kan skrive disse bølgelederne inn i store biter av materiale fordi femtosekundlasere er ekstremt intense og kan fokuseres ned til mikrometerskalaen. "Dette fører til ikke-lineær ionisering i materialet i fokalvolumet, noe som resulterer i en endring i brytningsindeks." Wang sa: "Ved relativ bevegelse mellom femtosekundlaseren og safirbulkmaterialet, som er montert på en tredimensjonal nanopresisjonsplattform, langs den utformede banen, er det mulig å skrive de integrerte fotonikkbanene som vi designet på safirsubstratet. "
Bølgeledere er dannet av områder av materiale med høy brytningsindeks i forhold til deres omkringliggende områder, og det vanligste materialet som brukes i integrert fotonikk er glass.
"Å eksponere glass for en femtosekundlaser øker brytningsindeksen, så det er enkelt å skrive bølgelederen ved å skanne laseren langs innsiden av prøven." Wang sier: "Men i safirkrystaller reduserer laseren brytningsindeksen. Så i stedet for å skrive bølgelederen der vi vil ha den, skriver vi på utsiden av den for å senke brytningsindeksen i området rundt. Dette kalles en forsenket kledning. bølgeleder, og vi brukte den i vårt tidligere arbeid med safirfibre."
Denne gangen har de forbedret prosessen og redusert det optiske tapet av bølgelederen sammenlignet med gruppens tidligere arbeid med safir. Dette gjør at de nå kan skrive bølgeledere som er 4 cm lange, noe som også betyr at de kan skrive mer komplekse strukturer som 1:2 optiske splittere (se figur 1).
Teamet optimaliserte sine bølgelederbyggesteiner og laget flere kopier av dem. "Prosessen var veldig godt kontrollert og alle resultatene var de samme. Dette fikk oss til å innse at integrerte safirfotoniske brikker har en realistisk mulighet for gjennomførbarhet."
Kalibrering av laserskriveprosessen
En stor utfordring i prosessen var imidlertid å kalibrere laserskriveprosessen.
Wang forklarer at endringer i brytningsindeks "er kritiske for å designe optimaliserte strukturer, og dette gjelder spesielt for krystaller fordi de har en høy brytningsindeks og mange brytningsindeksmålinger er destruktive. Men å skrive fotoniske kretser krever veldig presis kontroll av den lasermodifiserte profil, så rask karakterisering er også ønskelig."
For å gjøre dette raskt, skrev forskerne en lineær array-design for å gi et unikt utdatamønster. Mønsteret er direkte korrelert med endringer i brytningsindeks og kan brukes som et fingeravtrykk, sier Wang: "Ved å korrelere disse mønstrene med et sett av simuleringer, kan vi identifisere eksponentiell modulasjon. Det muliggjør rask, pålitelig kalibrering før hver fabrikasjon."
Julian Fells, hovedforskeren på prosjektet, sier at fordi safir er et veldig hardt og spenstig materiale, "kan den tåle ultrahøye temperaturer på opptil 2,000 grader og høy stråling. Disse egenskapene gjør den egnet for ekstreme miljøer som romfart, rom og kraftproduksjon. I tillegg har safir et veldig bredt spektralvindu i det midt-infrarøde området, et vindu som kan brukes til medisinske applikasjoner. Ved å øke kompleksiteten til fotoniske kretser, gir sensorer med høyere ytelse og enheter forventes."
Teamet har allerede demonstrert de grunnleggende byggesteinene til den fotoniske brikken, og nå jobber de aktivt med å redusere tap og utvide kompleksiteten til kretsene ytterligere.
