Oxfordi ülikooli teadlased on kasutanud femtosekundilist laserit, et kirjutada sadu safiiri lainejuhte, mis viitab sellele, et safiiri fotoonkiibid on reaalses maailmas teostatavad.
Joonis 1: 4 cm pikkune safiirist integreeritud fotoonkiip.
Fotoonilised integraallülitused (PIC-id) nõuavad fotooniliste seadmete kompaktset integreerimist keha substraadi materjalile, mida praegu kasutatakse peamiselt klaasina. Klaasil on omad piirangud, nii et Ühendkuningriigi Oxfordi ülikooli teadlased uurivad safiiri kasutamist klaasi alternatiivse alusmaterjalina.
Kvaliteetsete integreeritud fotoonikaahelate ehitamine safiirist võib avada palju uusi võimalusi selliste rakenduste jaoks nagu side, andur või kvantarvutus.
"Iga kompaktse fotoonilise vooluringi peamised ehitusplokid on lainejuhid," ütleb Oxfordi ülikooli tehnikateaduste osakonna teadur Mohan Wang, "ja me saame kasutada lasertootmist, et "kirjutada" safiiris kavandatud mustriga. "lainejuhimassiivid. Kui me süstime valgust lainejuhi massiividesse, levib valgus mööda kavandatud teed, nii et saame kirjutada sadu lainejuhte safiiris väga keeruliste funktsioonide jaoks."
Femtosekundiline laser kirjutab lainejuhid safiiris
Femtosekundilised laserid võivad kirjutada need lainejuhid suurteks materjalitükkideks, kuna femtosekundilised laserid on äärmiselt intensiivsed ja neid saab fokuseerida kuni mikromeetri skaalani. "See toob kaasa mittelineaarse ionisatsiooni fookusmahus oleva materjali sees, mille tulemuseks on murdumisnäitaja muutus." Wang ütles: "Femtosekundilise laseri ja safiirpuistematerjali vahelise suhtelise liikumisega, mis on paigaldatud kolmemõõtmelisele nanotäppisplatvormile, piki kavandatud trajektoori, on võimalik kirjutada integreeritud fotoonikateed, mille me kavandasime safiirisubstraadile. "
Lainejuhid on moodustatud materjali piirkondadest, mille murdumisnäitaja on neid ümbritsevate piirkondadega võrreldes kõrge, ja kõige levinum integreeritud fotoonikas kasutatav materjal on klaas.
"Klaasi eksponeerimine femtosekundilise laseriga suurendab selle murdumisnäitajat, nii et lainejuhi kirjutamine laserit skaneerides mööda proovi sisemust on lihtne." Wang ütleb: "Kuid safiirkristallides vähendab laser murdumisnäitajat. Nii et selle asemel, et kirjutada lainejuht soovitud kohta, kirjutame selle välisküljele, et alandada murdumisnäitaja ümbritsevas piirkonnas. Seda nimetatakse süvistatud kattekihiks. lainejuht ja me kasutasime seda oma eelmises töös safiirkiudude kohta."
Seekord on nad protsessi täiustanud ja vähendanud lainejuhi optilist kadu võrreldes grupi varasema safiiritööga. See võimaldab neil nüüd kirjutada 4 cm pikkuseid lainejuhte, mis tähendab ka keerukamate struktuuride, näiteks 1:2 optiliste jaoturite kirjutamist (vt joonis 1).
Meeskond optimeeris oma lainejuhi ehitusplokke ja tegi neist mitu koopiat. "Protsess oli väga hästi juhitud ja kõik tulemused olid samad. See pani meid mõistma, et integreeritud safiirfotoonkiipide teostatavus on realistlik."
Laserkirjutusprotsessi kalibreerimine
Protsessi tohutu väljakutse oli aga laserkirjutamisprotsessi kalibreerimine.
Wang selgitab, et murdumisnäitaja muutused "on kriitilise tähtsusega optimeeritud struktuuride kujundamisel ja see kehtib eriti kristallide kohta, kuna neil on kõrge murdumisnäitaja ja paljud murdumisnäitaja mõõtmised on hävitavad. Kuid fotooniliste ahelate kirjutamine nõuab laseriga modifitseeritud ahelate väga täpset juhtimist profiili, seega on soovitav ka kiire iseloomustamine."
Selle kiireks tegemiseks kirjutasid teadlased ainulaadse väljundmustri saamiseks lineaarse massiivi kujunduse. Muster on otseses korrelatsioonis murdumisnäitaja muutustega ja seda saab kasutada sõrmejäljena, ütleb Wang: "Need mustrid simulatsioonide komplektiga korreleerides saame tuvastada eksponentsiaalse modulatsiooni. See võimaldab kiiret ja usaldusväärset kalibreerimist enne iga valmistamist."
Projekti juhtivteadur Julian Fells ütleb, et kuna safiir on väga kõva ja vastupidav materjal, "talub see ülikõrgeid kuni 2,000 kraadiseid temperatuure ja suurt kiirgust. Need omadused muudavad selle sobivaks äärmuslikes keskkondades, nagu lennundus, kosmos ja elektritootmine. Lisaks on safiiril väga lai spektriaken keskmises infrapuna piirkonnas, mida saab kasutada meditsiinilistes rakendustes. Suurendades fotooniliste ahelate keerukust, suurendavad andurid suurema jõudlusega ja seadmeid oodatakse."
Meeskond on juba demonstreerinud fotoonkiibi põhilisi ehitusplokke ning nüüd töötavad nad aktiivselt kadude vähendamise ja ahelate keerukuse veelgi suurendamise nimel.
