Para peneliti di Universitas Oxford telah menggunakan laser femtosecond untuk menulis ratusan pandu gelombang dalam safir, menunjukkan bahwa chip fotonik safir menjanjikan kelayakan di dunia nyata.
Gambar 1: chip fotonik terintegrasi safir sepanjang 4cm.
Sirkuit terpadu fotonik (PIC) memerlukan integrasi kompak perangkat fotonik pada bahan substrat tubuh, yang saat ini digunakan terutama sebagai kaca. Kaca memiliki keterbatasannya sendiri, sehingga para peneliti di Universitas Oxford di Inggris sedang menjajaki penggunaan safir sebagai bahan substrat alternatif pengganti kaca.
Membangun sirkuit fotonik terintegrasi berkualitas tinggi pada safir dapat membuka banyak kemungkinan baru untuk aplikasi seperti komunikasi, penginderaan, atau komputasi kuantum.
“Blok penyusun dasar dari setiap rangkaian fotonik kompak adalah pandu gelombang,” kata Mohan Wang, seorang peneliti di Departemen Ilmu Teknik di Universitas Oxford, “dan kita dapat menggunakan fabrikasi laser untuk 'menulis' pada safir dalam pola yang dirancang. ' susunan pandu gelombang. Ketika kita menyuntikkan cahaya ke dalam susunan pandu gelombang, cahaya merambat sepanjang jalur yang dirancang sehingga kita dapat menulis ratusan pandu gelombang dalam safir untuk fungsi yang sangat kompleks."
Laser Femtosecond menulis pandu gelombang dalam safir
Laser femtosecond dapat menuliskan pandu gelombang ini ke dalam bongkahan material yang besar karena laser femtosecond sangat kuat dan dapat difokuskan hingga skala mikrometer. “Hal ini menyebabkan ionisasi nonlinier dalam material dalam volume fokus, yang mengakibatkan perubahan indeks bias.” Wang berkata, “Dengan gerakan relatif antara laser femtosecond dan material curah safir, yang dipasang pada platform nanopresisi tiga dimensi, di sepanjang lintasan yang dirancang, dimungkinkan untuk menulis jalur fotonik terintegrasi yang kami rancang pada substrat safir. "
Pandu gelombang dibentuk oleh daerah material dengan indeks bias tinggi dibandingkan daerah sekitarnya, dan bahan yang paling umum digunakan dalam fotonik terintegrasi adalah kaca.
“Mengekspos kaca ke laser femtosecond akan meningkatkan indeks biasnya, jadi menulis pandu gelombang dengan memindai laser di sepanjang bagian dalam sampel sangatlah mudah.” Wang mengatakan, "Tetapi dalam kristal safir, laser menurunkan indeks bias. Jadi, alih-alih menulis pandu gelombang di tempat yang kita inginkan, kita menulis di bagian luarnya untuk menurunkan indeks bias di area sekitarnya. Ini disebut kelongsong tersembunyi pandu gelombang, dan kami menggunakannya dalam penelitian kami sebelumnya tentang serat safir."
Kali ini mereka telah meningkatkan proses dan mengurangi hilangnya optik pandu gelombang dibandingkan dengan penelitian kelompok sebelumnya mengenai safir. Hal ini memungkinkan mereka untuk menulis pandu gelombang sepanjang 4cm, yang juga berarti mereka dapat menulis struktur yang lebih kompleks seperti pemisah optik 1:2 (lihat Gambar 1).
Tim mengoptimalkan blok penyusun pandu gelombang mereka dan membuat banyak salinannya. “Prosesnya dikontrol dengan sangat baik dan semua hasilnya sama. Hal ini menyadarkan kami bahwa chip fotonik safir terintegrasi memiliki prospek kelayakan yang realistis.”
Mengkalibrasi proses penulisan laser
Namun, tantangan besar dalam proses ini adalah mengkalibrasi proses penulisan laser.
Wang menjelaskan bahwa perubahan indeks bias "sangat penting untuk merancang struktur yang dioptimalkan, dan ini terutama berlaku untuk kristal karena mereka memiliki indeks bias yang tinggi dan banyak pengukuran indeks bias yang bersifat merusak. Namun penulisan rangkaian fotonik memerlukan kontrol yang sangat tepat dari modifikasi laser. profil, jadi karakterisasi yang cepat juga diinginkan."
Untuk melakukan ini dengan cepat, para peneliti menulis desain array linier untuk memberikan pola keluaran yang unik. Pola tersebut berkorelasi langsung dengan perubahan indeks bias dan dapat digunakan sebagai sidik jari, kata Wang: "Dengan menghubungkan pola-pola ini dengan serangkaian simulasi, kita dapat mengidentifikasi modulasi eksponensial. Hal ini memungkinkan kalibrasi yang cepat dan andal sebelum setiap fabrikasi."
Julian Fells, peneliti utama proyek tersebut, mengatakan bahwa karena safir adalah bahan yang sangat keras dan tangguh, "safir dapat menahan suhu sangat tinggi hingga 2,000 derajat dan radiasi tinggi. Sifat-sifat ini membuatnya cocok untuk lingkungan ekstrim seperti luar angkasa, luar angkasa, dan pembangkit listrik. Selain itu, safir memiliki jendela spektral yang sangat luas di wilayah inframerah tengah, jendela yang dapat digunakan untuk aplikasi medis. Dengan meningkatkan kompleksitas sirkuit fotonik, sensor berkinerja lebih tinggi dan perangkat diharapkan."
Tim telah mendemonstrasikan blok dasar chip fotonik, dan sekarang mereka secara aktif bekerja untuk mengurangi kerugian dan memperluas kompleksitas sirkuit lebih jauh lagi.
