Investigadors de la Universitat d'Oxford han utilitzat un làser de femtosegons per escriure centenars de guies d'ona en safir, cosa que suggereix que els xips fotònics de safir tenen la promesa de la viabilitat del món real.
Figura 1: xip fotònic integrat de safir de 4 cm de llarg.
Els circuits integrats fotònics (PIC) requereixen una integració compacta de dispositius fotònics en un material de substrat corporal, que actualment s'utilitza principalment com a vidre. El vidre té les seves pròpies limitacions, de manera que els investigadors de la Universitat d'Oxford al Regne Unit estan explorant l'ús del safir com a material de substrat alternatiu al vidre.
La construcció de circuits fotònics integrats d'alta qualitat en safir podria obrir moltes possibilitats noves per a aplicacions com les comunicacions, la detecció o la informàtica quàntica.
"Els blocs bàsics de qualsevol circuit fotònic compacte són guies d'ones", diu Mohan Wang, investigador del Departament de Ciències de l'Enginyeria de la Universitat d'Oxford, "i podem utilitzar la fabricació làser per "escriure" en safir en un patró dissenyat de ' matrius de guies d'ona. Quan injectem llum a les matrius de guies d'ona, la llum es propaga al llarg del camí dissenyat de manera que podem escriure centenars de guies d'ones en safir per a funcions molt complexes".
El làser femtosegon escriu guies d'ona en safir
Els làsers de femtosegons poden escriure aquestes guies d'ona en grans trossos de material perquè els làsers de femtosegons són extremadament intensos i es poden enfocar a l'escala del micròmetre. "Això condueix a una ionització no lineal dins del material en el volum focal, que provoca un canvi en l'índex de refracció". Wang va dir: "Mitjançant el moviment relatiu entre el làser femtosegon i el material a granel de safir, que està muntat en una plataforma de nanoprecisió tridimensional, al llarg de la trajectòria dissenyada, és possible escriure els camins fotònics integrats que vam dissenyar al substrat de safir. "
Les guies d'ones estan formades per regions de material amb un alt índex de refracció en relació a les seves regions circumdants, i el material més comú utilitzat en la fotònica integrada és el vidre.
"Exposar el vidre a un làser de femtosegon augmenta el seu índex de refracció, de manera que escriure la guia d'ones escanejant el làser a l'interior de la mostra és senzill". Wang diu: "Però en els cristalls de safir, el làser disminueix l'índex de refracció. Així, en comptes d'escriure la guia d'ones on volem, escrivim a l'exterior per reduir l'índex de refracció a la zona circumdant. Això s'anomena revestiment encastat. guia d'ona i la vam utilitzar en el nostre treball anterior sobre fibres de safir".
Aquesta vegada han millorat el procés i han reduït la pèrdua òptica de la guia d'ones en comparació amb el treball anterior del grup sobre safir. Això els permet ara escriure guies d'ona de 4 cm de llarg, la qual cosa també significa que poden escriure estructures més complexes, com ara divisors òptics 1:2 (vegeu la figura 1).
L'equip va optimitzar els seus blocs de construcció de guia d'ona i en va fer diverses còpies. "El procés estava molt ben controlat i tots els resultats van ser els mateixos. Això ens va fer adonar que els xips fotònics de safir integrats tenen una perspectiva realista de viabilitat".
Calibrar el procés d'escriptura làser
Un gran repte en el procés, però, va ser calibrar el procés d'escriptura làser.
Wang explica que els canvis en l'índex de refracció "són crítics per dissenyar estructures optimitzades, i això és especialment cert per als cristalls perquè tenen un alt índex de refracció i moltes mesures d'índex de refracció són destructives. Però escriure circuits fotònics requereix un control molt precís de la modificació làser. perfil, de manera que també és desitjable una caracterització ràpida".
Per fer-ho ràpidament, els investigadors van escriure un disseny de matriu lineal per proporcionar un patró de sortida únic. El patró està directament relacionat amb els canvis en l'índex de refracció i es pot utilitzar com a empremta digital, diu Wang: "En correlacionar aquests patrons amb un conjunt de simulacions, podem identificar la modulació exponencial. Permet un calibratge ràpid i fiable abans de cada fabricació".
Julian Fells, l'investigador principal del projecte, diu que com que el safir és un material molt dur i resistent, "pot suportar temperatures molt elevades de fins a 2,000 graus i radiacions elevades. Aquestes propietats el fan adequat. per a entorns extrems com l'aeroespacial, l'espai i la generació d'energia.A més, el safir té una finestra espectral molt àmplia a la regió de l'infraroig mitjà, una finestra que es pot utilitzar per a aplicacions mèdiques.En augmentar la complexitat dels circuits fotònics, els sensors de major rendiment i s'esperen dispositius".
L'equip ja ha demostrat els components bàsics del xip fotònic, i ara estan treballant activament per reduir les pèrdues i ampliar encara més la complexitat dels circuits.
