محققان دانشگاه آکسفورد از لیزر فمتوثانیه ای برای نوشتن صدها موجبر در یاقوت کبود استفاده کرده اند که نشان می دهد تراشه های فوتونیکی یاقوت کبود نوید امکان سنجی در دنیای واقعی را دارند.
شکل 1: تراشه فوتونیک یکپارچه یاقوت کبود به طول 4 سانتی متر.
مدارهای مجتمع فوتونیک (PIC) نیاز به ادغام فشرده دستگاه های فوتونیک بر روی یک ماده زیرلایه بدن دارند که در حال حاضر عمدتاً به عنوان شیشه استفاده می شود. شیشه محدودیتهای خاص خود را دارد، بنابراین محققان دانشگاه آکسفورد در بریتانیا در حال بررسی استفاده از یاقوت کبود به عنوان مادهای جایگزین برای شیشه هستند.
ساخت مدارهای فوتونیک یکپارچه با کیفیت بالا در یاقوت کبود میتواند بسیاری از امکانات جدید را برای کاربردهایی مانند ارتباطات، سنجش یا محاسبات کوانتومی باز کند.
موهان وانگ، محقق دپارتمان علوم مهندسی در دانشگاه آکسفورد، میگوید: بلوکهای اساسی ساختمان هر مدار فوتونی فشرده، موجبر هستند و ما میتوانیم از ساخت لیزر برای نوشتن در یاقوت کبود با الگوی طراحی شده استفاده کنیم. هنگامی که نور را به آرایه های موجبر تزریق می کنیم، نور در مسیر طراحی شده منتشر می شود تا بتوانیم صدها موجبر را در یاقوت کبود برای عملکردهای بسیار پیچیده بنویسیم."
لیزر فمتوثانیه موجبرها را در یاقوت کبود می نویسد
لیزرهای فمتوثانیه می توانند این موجبرها را در قطعات بزرگی از مواد بنویسند زیرا لیزرهای فمتوثانیه بسیار شدید هستند و می توانند تا مقیاس میکرومتر متمرکز شوند. این منجر به یونیزاسیون غیرخطی در ماده در حجم کانونی می شود که منجر به تغییر در ضریب شکست می شود. وانگ گفت: "با حرکت نسبی بین لیزر فمتوثانیه و مواد حجیم یاقوت کبود، که بر روی یک پلت فرم سه بعدی نانودقیق نصب شده است، در امتداد مسیر طراحی شده، می توان مسیرهای فوتونیک یکپارچه ای را که ما طراحی کردیم بر روی بستر یاقوت کبود بنویسیم. "
موجبرها توسط مناطقی از مواد با ضریب شکست بالا نسبت به نواحی اطراف خود تشکیل می شوند و رایج ترین ماده مورد استفاده در فوتونیک یکپارچه شیشه است.
قرار دادن شیشه در معرض لیزر فمتوثانیه ضریب شکست آن را افزایش می دهد، بنابراین نوشتن موجبر با اسکن لیزر در امتداد داخل نمونه ساده است. وانگ میگوید، "اما در کریستالهای یاقوت کبود، لیزر ضریب شکست را کاهش میدهد. بنابراین به جای اینکه موجبر را در جایی که میخواهیم بنویسیم، در قسمت بیرونی آن مینویسیم تا ضریب شکست در ناحیه اطراف پایین بیاید. به این حالت روکش فرورفته میگویند. موجبر، و ما از آن در کار قبلی خود بر روی الیاف یاقوت کبود استفاده کردیم."
این بار آنها روند را بهبود بخشیده و از دست دادن نوری موجبر را در مقایسه با کار قبلی این گروه در مورد یاقوت کبود کاهش داده اند. این به آنها اجازه می دهد که اکنون موجبرهایی به طول 4 سانتی متر بنویسند، که همچنین به این معنی است که می توانند ساختارهای پیچیده تری مانند تقسیم کننده های نوری 1:2 بنویسند (شکل 1 را ببینید).
این تیم بلوک های سازنده موجبر خود را بهینه کرد و چندین نسخه از آنها ساخت. "فرآیند بسیار خوب کنترل شد و همه نتایج یکسان بود. این باعث شد متوجه شویم که تراشه های فوتونیکی یاقوت کبود یکپارچه چشم انداز واقعی امکان سنجی دارند."
کالیبره کردن فرآیند نوشتن لیزری
با این حال، یک چالش بزرگ در این فرآیند، کالیبره کردن فرآیند نوشتن لیزر بود.
وانگ توضیح می دهد که تغییرات در ضریب شکست "برای طراحی ساختارهای بهینه شده حیاتی است، و این به ویژه در مورد کریستال ها صادق است، زیرا آنها ضریب شکست بالایی دارند و بسیاری از اندازه گیری های ضریب شکست مخرب هستند. اما نوشتن مدارهای فوتونی نیازمند کنترل بسیار دقیقی است که با لیزر اصلاح شده است. مشخصات، بنابراین شخصیت پردازی سریع نیز مطلوب است."
برای انجام سریع این کار، محققان یک طرح آرایه خطی برای ارائه یک الگوی خروجی منحصر به فرد نوشتند. وانگ میگوید: این الگو مستقیماً با تغییرات ضریب شکست ارتباط دارد و میتواند به عنوان اثر انگشت استفاده شود: "با همبستگی این الگوها با مجموعهای از شبیهسازیها، میتوانیم مدولاسیون نمایی را شناسایی کنیم. کالیبراسیون سریع و قابل اعتماد قبل از هر ساخت را امکانپذیر میسازد."
جولیان فلز، محقق اصلی این پروژه، میگوید که از آنجایی که یاقوت کبود مادهای بسیار سخت و انعطافپذیر است، «میتواند در دمای بسیار بالا تا ۲،000 درجه و تشعشع بالا مقاومت کند. این ویژگیها آن را مناسب میکند. برای محیط های شدید مانند هوافضا، فضا و تولید برق.علاوه بر این، یاقوت کبود دارای یک پنجره طیفی بسیار گسترده در ناحیه مادون قرمز میانی است، پنجره ای که می تواند برای کاربردهای پزشکی استفاده شود. با افزایش پیچیدگی مدارهای فوتونی، سنسورهای عملکرد بالاتر و دستگاهها انتظار میرود."
این تیم قبلاً بلوکهای ساختمانی اصلی تراشه فوتونیک را نشان دادهاند و اکنون آنها به طور فعال برای کاهش تلفات و گسترش پیچیدگی مدارها حتی بیشتر کار میکنند.
