Oksfordas Universitātes pētnieki ir izmantojuši femtosekundes lāzeru, lai safīrā ierakstītu simtiem viļņvadu, kas liecina, ka safīra fotoniskās mikroshēmas ir reālās pasaules iespējas.
1. attēls: 4 cm gara safīra integrēta fotoniskā mikroshēma.
Fotoniskajām integrālajām shēmām (PIC) ir nepieciešama kompakta fotonisko ierīču integrācija uz korpusa substrāta materiāla, ko pašlaik izmanto galvenokārt kā stiklu. Stiklam ir savi ierobežojumi, tāpēc pētnieki no Oksfordas universitātes Apvienotajā Karalistē pēta safīra izmantošanu kā alternatīvu stikla substrāta materiālu.
Augstas kvalitātes integrēto fotonikas shēmu izveide safīrā varētu pavērt daudzas jaunas iespējas tādām lietojumprogrammām kā sakari, sensori vai kvantu skaitļošana.
"Jebkuras kompaktas fotoniskās shēmas pamatelementi ir viļņvadi," saka Mohans Vangs, Oksfordas Universitātes Inženierzinātņu nodaļas pētnieks, "un mēs varam izmantot lāzera izgatavošanu, lai "rakstītu" safīrā atbilstoši izstrādātam modelim. "viļņvada bloki. Kad mēs ievadām gaismu viļņvada blokos, gaisma izplatās pa paredzēto ceļu, lai mēs varētu safīrā ierakstīt simtiem viļņvadu ļoti sarežģītām funkcijām."
Femtosekundes lāzers ieraksta viļņvadus safīrā
Femtosekundes lāzeri var ierakstīt šos viļņvadus lielos materiāla gabalos, jo femtosekundes lāzeri ir ārkārtīgi intensīvi un tos var fokusēt līdz mikrometru skalai. "Tas noved pie nelineāras jonizācijas materiālā fokusa tilpumā, kā rezultātā mainās refrakcijas indekss." Vangs sacīja: "Ar relatīvu kustību starp femtosekundes lāzeru un safīra masveida materiālu, kas ir uzstādīts uz trīsdimensiju nanoprecizitātes platformas, pa projektēto trajektoriju, ir iespējams uzrakstīt integrētos fotonikas ceļus, ko mēs izstrādājām uz safīra substrāta. "
Viļņvadus veido materiāla apgabali ar augstu laušanas koeficientu attiecībā pret apkārtējiem reģioniem, un visizplatītākais materiāls, ko izmanto integrētajā fotonikā, ir stikls.
"Stikla pakļaušana femtosekundes lāzeram palielina tā refrakcijas indeksu, tāpēc viļņvada rakstīšana, skenējot lāzeru gar parauga iekšpusi, ir vienkārša." Vangs saka: "Bet safīra kristālos lāzers samazina refrakcijas indeksu. Tāpēc tā vietā, lai rakstītu viļņvadu, kur mēs to vēlamies, mēs rakstām uz tā ārpuses, lai samazinātu refrakcijas indeksu apkārtējā zonā. To sauc par padziļinātu apšuvumu. viļņvads, un mēs to izmantojām mūsu iepriekšējā darbā ar safīra šķiedrām."
Šoreiz viņi ir uzlabojuši procesu un samazinājuši viļņvada optiskos zudumus, salīdzinot ar grupas iepriekšējo darbu pie safīra. Tas viņiem tagad ļauj rakstīt 4 cm garus viļņvadus, kas nozīmē arī sarežģītākas struktūras, piemēram, 1:2 optiskos sadalītājus (sk. 1. attēlu).
Komanda optimizēja savus viļņvada blokus un izveidoja vairākas to kopijas. "Process tika ļoti labi kontrolēts, un visi rezultāti bija vienādi. Tas lika mums saprast, ka integrētajām safīra fotoniskajām mikroshēmām ir reālas iespējas."
Lāzerrakstīšanas procesa kalibrēšana
Tomēr milzīgs izaicinājums šajā procesā bija lāzera rakstīšanas procesa kalibrēšana.
Vans skaidro, ka refrakcijas indeksa izmaiņas "ir kritiskas, lai izstrādātu optimizētas struktūras, un tas jo īpaši attiecas uz kristāliem, jo tiem ir augsts refrakcijas indekss un daudzi laušanas koeficienta mērījumi ir destruktīvi. Taču fotonisko ķēžu rakstīšanai ir nepieciešama ļoti precīza lāzera modificēto konstrukciju kontrole. profilu, tāpēc ir vēlams arī ātrs raksturojums."
Lai to izdarītu ātri, pētnieki uzrakstīja lineāro masīvu dizainu, lai nodrošinātu unikālu izvades modeli. Šis modelis ir tieši saistīts ar refrakcijas indeksa izmaiņām, un to var izmantot kā pirkstu nospiedumu, saka Vans: "Saskaņojot šos modeļus ar simulāciju kopumu, mēs varam identificēt eksponenciālo modulāciju. Tas nodrošina ātru un drošu kalibrēšanu pirms katras izgatavošanas."
Projekta vadošais pētnieks Džulians Fells saka, ka, tā kā safīrs ir ļoti ciets un izturīgs materiāls, "tas var izturēt īpaši augstu temperatūru līdz 2,000 grādiem un lielu starojumu. Šīs īpašības padara to piemērotu. ekstrēmām vidēm, piemēram, kosmosa, kosmosa un elektroenerģijas ražošanai. Turklāt safīram ir ļoti plašs spektra logs vidējā infrasarkanajā reģionā — logs, ko var izmantot medicīniskiem nolūkiem. Palielinot fotonisko ķēžu sarežģītību, tiek nodrošināti augstākas veiktspējas sensori. un ierīces ir gaidāmas."
Komanda jau ir demonstrējusi fotoniskās mikroshēmas pamatelementus, un tagad viņi aktīvi strādā, lai samazinātu zudumus un vēl vairāk paplašinātu ķēžu sarežģītību.
