Investigadores de la Universidad de Oxford han utilizado un láser de femtosegundo para escribir cientos de guías de ondas en zafiro, lo que sugiere que los chips fotónicos de zafiro prometen ser viables en el mundo real.
Figura 1: chip fotónico integrado de zafiro de 4 cm de largo.
Los circuitos integrados fotónicos (PIC) requieren una integración compacta de dispositivos fotónicos en un material de sustrato corporal, que actualmente se utiliza principalmente como vidrio. El vidrio tiene sus propias limitaciones, por lo que investigadores de la Universidad de Oxford en el Reino Unido están explorando el uso de zafiro como material de sustrato alternativo al vidrio.
La construcción de circuitos fotónicos integrados de alta calidad en zafiro podría abrir muchas posibilidades nuevas para aplicaciones como las comunicaciones, la detección o la computación cuántica.
"Los componentes básicos de cualquier circuito fotónico compacto son guías de ondas", dice Mohan Wang, investigador del Departamento de Ciencias de la Ingeniería de la Universidad de Oxford, "y podemos utilizar la fabricación con láser para 'escribir' en zafiro en un patrón diseñado de ' matrices de guías de ondas. Cuando inyectamos luz en las matrices de guías de ondas, la luz se propaga a lo largo del camino diseñado para que podamos escribir cientos de guías de ondas en zafiro para funciones muy complejas ".
Láser de femtosegundo escribe guías de ondas en zafiro
Los láseres de femtosegundos pueden escribir estas guías de ondas en grandes trozos de material porque los láseres de femtosegundos son extremadamente intensos y pueden enfocarse hasta la escala micrométrica. "Esto conduce a una ionización no lineal dentro del material en el volumen focal, lo que resulta en un cambio en el índice de refracción". Wang dijo: "Mediante el movimiento relativo entre el láser de femtosegundo y el material a granel de zafiro, que está montado en una plataforma tridimensional de nanoprecisión, a lo largo de la trayectoria diseñada, es posible escribir las rutas fotónicas integradas que diseñamos en el sustrato de zafiro. "
Las guías de ondas están formadas por regiones de material con un alto índice de refracción en relación con las regiones circundantes, y el material más común utilizado en fotónica integrada es el vidrio.
"Exponer el vidrio a un láser de femtosegundo aumenta su índice de refracción, por lo que escribir la guía de ondas escaneando el láser a lo largo del interior de la muestra es sencillo". Wang dice: "Pero en los cristales de zafiro, el láser disminuye el índice de refracción. Entonces, en lugar de escribir la guía de ondas donde queremos, escribimos en el exterior para reducir el índice de refracción en el área circundante. Esto se llama revestimiento empotrado". guía de ondas, y la utilizamos en nuestro trabajo anterior sobre fibras de zafiro".
Esta vez han mejorado el proceso y reducido la pérdida óptica de la guía de ondas respecto al trabajo anterior del grupo sobre zafiro. Esto les permite ahora escribir guías de ondas de 4 cm de largo, lo que también significa que pueden escribir estructuras más complejas, como divisores ópticos 1:2 (consulte la Figura 1).
El equipo optimizó sus bloques de construcción de guías de ondas e hizo múltiples copias de ellos. "El proceso estuvo muy bien controlado y todos los resultados fueron los mismos. Esto nos hizo darnos cuenta de que los chips fotónicos de zafiro integrados tienen perspectivas realistas de viabilidad".
Calibración del proceso de escritura láser.
Sin embargo, un gran desafío en el proceso fue calibrar el proceso de escritura láser.
Wang explica que los cambios en el índice de refracción "son críticos para diseñar estructuras optimizadas, y esto es especialmente cierto para los cristales porque tienen un alto índice de refracción y muchas mediciones del índice de refracción son destructivas. Pero escribir circuitos fotónicos requiere un control muy preciso de los componentes modificados con láser". perfil, por lo que también es deseable una caracterización rápida".
Para hacer esto rápidamente, los investigadores escribieron un diseño de matriz lineal para proporcionar un patrón de salida único. El patrón está directamente correlacionado con los cambios en el índice de refracción y puede usarse como huella digital, dice Wang: "Al correlacionar estos patrones con un conjunto de simulaciones, podemos identificar la modulación exponencial. Permite una calibración rápida y confiable antes de cada fabricación".
Julian Fells, investigador principal del proyecto, dice que debido a que el zafiro es un material muy duro y resistente, "puede soportar temperaturas ultra altas de hasta 2,000 grados y alta radiación. Estas propiedades lo hacen adecuado para entornos extremos como el aeroespacial, el espacio y la generación de energía. Además, el zafiro tiene una ventana espectral muy amplia en la región del infrarrojo medio, una ventana que se puede utilizar para aplicaciones médicas. Al aumentar la complejidad de los circuitos fotónicos, los sensores de mayor rendimiento Y se esperan dispositivos ".
El equipo ya ha demostrado los componentes básicos del chip fotónico y ahora está trabajando activamente para reducir las pérdidas y ampliar aún más la complejidad de los circuitos.
