I ricercatori dell’Università di Oxford hanno utilizzato un laser a femtosecondi per scrivere centinaia di guide d’onda nello zaffiro, suggerendo che i chip fotonici di zaffiro mantengono la promessa di fattibilità nel mondo reale.
Figura 1: Chip fotonico integrato in zaffiro lungo 4 cm.
I circuiti integrati fotonici (PIC) richiedono l'integrazione compatta di dispositivi fotonici su un materiale di substrato del corpo, che attualmente viene utilizzato principalmente come vetro. Il vetro ha i suoi limiti, quindi i ricercatori dell’Università di Oxford nel Regno Unito stanno esplorando l’uso dello zaffiro come materiale di substrato alternativo al vetro.
Costruire circuiti fotonici integrati di alta qualità in zaffiro potrebbe aprire molte nuove possibilità per applicazioni come le comunicazioni, il rilevamento o l’informatica quantistica.
"Gli elementi costitutivi di base di qualsiasi circuito fotonico compatto sono le guide d'onda", afferma Mohan Wang, ricercatore presso il Dipartimento di Scienze Ingegneria dell'Università di Oxford, "e possiamo usare la fabbricazione laser per 'scrivere' nello zaffiro in uno schema progettato di " matrici di guide d'onda. Quando iniettiamo la luce nelle matrici di guide d'onda, la luce si propaga lungo il percorso progettato in modo che possiamo scrivere centinaia di guide d'onda in zaffiro per funzioni molto complesse."
Il laser a femtosecondi scrive guide d'onda nello zaffiro
I laser a femtosecondi possono scrivere queste guide d'onda in grandi pezzi di materiale perché i laser a femtosecondi sono estremamente intensi e possono essere focalizzati fino alla scala micrometrica. "Ciò porta alla ionizzazione non lineare all'interno del materiale nel volume focale, che si traduce in un cambiamento nell'indice di rifrazione." Wang ha detto: "Grazie al movimento relativo tra il laser a femtosecondi e il materiale sfuso in zaffiro, che è montato su una piattaforma tridimensionale di nanoprecisione, lungo la traiettoria progettata, è possibile scrivere i percorsi fotonici integrati che abbiamo progettato sul substrato di zaffiro. "
Le guide d'onda sono formate da regioni di materiale con un elevato indice di rifrazione rispetto alle regioni circostanti e il materiale più comune utilizzato nella fotonica integrata è il vetro.
"L'esposizione del vetro a un laser a femtosecondi aumenta il suo indice di rifrazione, quindi scrivere la guida d'onda scansionando il laser lungo l'interno del campione è semplice." Wang dice: "Ma nei cristalli di zaffiro, il laser diminuisce l'indice di rifrazione. Quindi, invece di scrivere la guida d'onda dove vogliamo, scriviamo all'esterno di essa per abbassare l'indice di rifrazione nell'area circostante. Questo si chiama rivestimento incassato guida d'onda, e l'abbiamo usata nel nostro precedente lavoro sulle fibre di zaffiro."
Questa volta hanno migliorato il processo e ridotto la perdita ottica della guida d'onda rispetto al precedente lavoro del gruppo sullo zaffiro. Ciò consente loro ora di scrivere guide d'onda lunghe 4 cm, il che significa anche che possono scrivere strutture più complesse come divisori ottici 1:2 (vedere Figura 1).
Il team ha ottimizzato gli elementi costitutivi della guida d'onda e ne ha realizzato più copie. "Il processo è stato controllato molto bene e tutti i risultati erano gli stessi. Questo ci ha fatto capire che i chip fotonici integrati in zaffiro hanno una prospettiva realistica di fattibilità."
Calibrazione del processo di scrittura laser
Una grande sfida nel processo, tuttavia, è stata la calibratura del processo di scrittura laser.
Wang spiega che i cambiamenti nell'indice di rifrazione "sono fondamentali per progettare strutture ottimizzate, e questo è particolarmente vero per i cristalli perché hanno un indice di rifrazione elevato e molte misurazioni dell'indice di rifrazione sono distruttive. Ma scrivere circuiti fotonici richiede un controllo molto preciso dell'indice di rifrazione modificato dal laser". profilo, quindi è auspicabile anche una rapida caratterizzazione."
Per fare ciò rapidamente, i ricercatori hanno scritto un progetto di array lineare per fornire un modello di output unico. Il modello è direttamente correlato ai cambiamenti nell'indice di rifrazione e può essere utilizzato come un'impronta digitale, afferma Wang: "Correlando questi modelli con una serie di simulazioni, possiamo identificare la modulazione esponenziale. Ciò consente una calibrazione rapida e affidabile prima di ogni fabbricazione."
Julian Fells, il ricercatore capo del progetto, afferma che poiché lo zaffiro è un materiale molto duro e resistente, "può resistere a temperature ultra elevate fino a 2,000 gradi e ad alte radiazioni. Queste proprietà lo rendono adatto per ambienti estremi come l'aerospaziale, lo spazio e la produzione di energia. Inoltre, lo zaffiro ha una finestra spettrale molto ampia nella regione del medio infrarosso, una finestra che può essere utilizzata per applicazioni mediche. Aumentando la complessità dei circuiti fotonici, sensori con prestazioni più elevate e i dispositivi sono attesi."
Il team ha già dimostrato gli elementi costitutivi di base del chip fotonico e ora sta lavorando attivamente per ridurre le perdite ed estendere ulteriormente la complessità dei circuiti.
