Forskare vid University of Oxford har använt en femtosekundlaser för att skriva hundratals vågledare i safir, vilket tyder på att fotoniska safirchips har ett löfte om genomförbarhet i verkligheten.
Figur 1: 4 cm långt safir integrerat fotoniskt chip.
Fotoniska integrerade kretsar (PIC) kräver kompakt integration av fotoniska enheter på ett kroppssubstratmaterial, som för närvarande huvudsakligen används som glas. Glas har sina egna begränsningar, så forskare vid University of Oxford i Storbritannien undersöker användningen av safir som ett alternativt substratmaterial till glas.
Att bygga högkvalitativa integrerade fotonikkretsar i safir kan öppna upp många nya möjligheter för applikationer som kommunikation, avkänning eller kvantberäkning.
"De grundläggande byggstenarna i alla kompakta fotoniska kretsar är vågledare", säger Mohan Wang, forskare vid Institutionen för ingenjörsvetenskaper vid University of Oxford, "och vi kan använda lasertillverkning för att "skriva" i safir i ett designat mönster av ' vågledarmatriser. När vi injicerar ljus i vågledarmatriserna fortplantar ljuset sig längs den designade banan så att vi kan skriva hundratals vågledare i safir för mycket komplexa funktioner."
Femtosekundlaser skriver vågledare i safir
Femtosekundlasrar kan skriva dessa vågledare i stora bitar av material eftersom femtosekundlasrar är extremt intensiva och kan fokuseras ner till mikrometerskalan. "Detta leder till olinjär jonisering inom materialet i fokalvolymen, vilket resulterar i en förändring i brytningsindex." Wang sa: "Genom relativ rörelse mellan femtosekundlasern och safirbulkmaterialet, som är monterat på en tredimensionell nanoprecisionsplattform, längs den designade banan, är det möjligt att skriva de integrerade fotonikbanorna som vi designade på safirsubstratet. "
Vågledare bildas av områden av material med ett högt brytningsindex i förhållande till deras omgivande regioner, och det vanligaste materialet som används i integrerad fotonik är glas.
"Att exponera glas för en femtosekundlaser ökar dess brytningsindex, så att skriva vågledaren genom att skanna lasern längs insidan av provet är enkelt." Wang säger, "Men i safirkristaller minskar lasern brytningsindexet. Så istället för att skriva vågledaren där vi vill ha den, skriver vi på utsidan av den för att sänka brytningsindexet i det omgivande området. Detta kallas en försänkt beklädnad vågledare, och vi använde den i vårt tidigare arbete med safirfibrer."
Den här gången har de förbättrat processen och minskat den optiska förlusten av vågledaren jämfört med gruppens tidigare arbete med safir. Detta gör att de nu kan skriva vågledare som är 4 cm långa, vilket också betyder att de kan skriva mer komplexa strukturer som 1:2 optiska delar (se figur 1).
Teamet optimerade sina vågledarbyggstenar och gjorde flera kopior av dem. "Processen var mycket väl kontrollerad och alla resultat var desamma. Detta fick oss att inse att integrerade fotoniska safirchips har en realistisk möjlighet till genomförbarhet."
Kalibrering av laserskrivprocessen
En stor utmaning i processen var dock att kalibrera laserskrivprocessen.
Wang förklarar att förändringar i brytningsindex "är avgörande för att designa optimerade strukturer, och detta gäller särskilt för kristaller eftersom de har ett högt brytningsindex och många brytningsindexmätningar är destruktiva. Men att skriva fotoniska kretsar kräver mycket exakt kontroll av den lasermodifierade profil, så snabb karakterisering är också önskvärt."
För att göra detta snabbt skrev forskarna en linjär arraydesign för att ge ett unikt utdatamönster. Mönstret är direkt korrelerat med förändringar i brytningsindex och kan användas som ett fingeravtryck, säger Wang: "Genom att korrelera dessa mönster med en uppsättning simuleringar kan vi identifiera exponentiell modulering. Det möjliggör snabb, pålitlig kalibrering före varje tillverkning."
Julian Fells, den ledande forskaren i projektet, säger att eftersom safir är ett mycket hårt och motståndskraftigt material "kan den motstå ultrahöga temperaturer på upp till 2,000 grader och hög strålning. Dessa egenskaper gör den lämplig. för extrema miljöer som rymd-, rymd- och kraftgenerering. Dessutom har Sapphire ett mycket brett spektralfönster i det mellaninfraröda området, ett fönster som kan användas för medicinska tillämpningar. Genom att öka komplexiteten hos fotoniska kretsar kan sensorer med högre prestanda och enheter förväntas."
Teamet har redan demonstrerat de grundläggande byggstenarna i fotonchippet, och nu arbetar de aktivt med att minska förlusterna och utöka komplexiteten i kretsarna ytterligare.
