חוקרים מאוניברסיטת אוקספורד השתמשו בלייזר פמטו-שניות כדי לכתוב מאות מוליכי גל בספיר, מה שמצביע על כך ששבבי ספיר פוטוניים טומנים בחובם הבטחה של היתכנות בעולם האמיתי.
איור 1: שבב פוטוני משולב באורך 4 ס"מ.
מעגלים משולבים פוטוניים (PICs) דורשים אינטגרציה קומפקטית של התקנים פוטוניים על חומר מצע גוף, המשמש כיום בעיקר כזכוכית. לזכוכית יש מגבלות משלה, ולכן חוקרים מאוניברסיטת אוקספורד בבריטניה בוחנים את השימוש בספיר כחומר מצע חלופי לזכוכית.
בניית מעגלי פוטוניקה משולבים באיכות גבוהה בספיר עשויה לפתוח אפשרויות חדשות רבות ליישומים כמו תקשורת, חישה או מחשוב קוונטי.
"אבני הבניין הבסיסיות של כל מעגל פוטוניים קומפקטי הם מוליכי גל", אומר מוהאן וואנג, חוקר במחלקה למדעי ההנדסה באוניברסיטת אוקספורד, "ואנחנו יכולים להשתמש בייצור לייזר כדי 'לכתוב' בספיר בתבנית מעוצבת של ' מערכי מוליכי גל. כאשר אנו מחדירים אור לתוך מערכי מוליכי הגלים, האור מתפשט לאורך הנתיב המתוכנן כך שנוכל לכתוב מאות מוליכי גל בספיר עבור פונקציות מורכבות מאוד."
לייזר Femtosecond כותב מוליכי גל בספיר
לייזרי פמט שנייה יכולים לכתוב את מובילי הגל הללו לגושים גדולים של חומר מכיוון שלייזרי פמט שנייה הם אינטנסיביים ביותר וניתן למקד אותם עד לסולם המיקרומטר. "זה מוביל ליינון לא ליניארי בתוך החומר בנפח המוקד, מה שמביא לשינוי במקדם השבירה." וואנג אמר, "על ידי תנועה יחסית בין הלייזר הפמטושני לחומר הספיר בתפזורת, המותקן על פלטפורמת ננו-דיוק תלת מימדית, לאורך המסלול המעוצב, ניתן לכתוב את מסלולי הפוטוניקה המשולבים שתכננו על מצע הספיר. "
מוליכי גל נוצרים על ידי אזורי חומר בעלי מקדם שבירה גבוה ביחס לאזורים שמסביבם, והחומר הנפוץ ביותר בשימוש בפוטוניקה משולבת הוא זכוכית.
"חשיפת זכוכית ללייזר פמט שנייה מגדילה את מקדם השבירה שלה, כך שכתיבת מוליך הגל על ידי סריקת הלייזר לאורך החלק הפנימי של הדגימה היא פשוטה." וואנג אומר, "אבל בגבישי ספיר, הלייזר מקטין את מקדם השבירה. אז במקום לכתוב את מוליך הגל איפה שאנחנו רוצים אותו, אנחנו כותבים בצד החיצוני שלו כדי להוריד את מקדם השבירה באזור שמסביב. זה נקרא חיפוי שקוע מוליך גל, והשתמשנו בו בעבודה הקודמת שלנו על סיבי ספיר."
הפעם הם שיפרו את התהליך והפחיתו את האובדן האופטי של מוליך הגל בהשוואה לעבודה הקודמת של הקבוצה על ספיר. זה מאפשר להם לכתוב כעת מובילי גל באורך 4 ס"מ, מה שאומר שהם יכולים לכתוב מבנים מורכבים יותר כגון מפצלים אופטיים 1:2 (ראה איור 1).
הצוות עשה אופטימיזציה של אבני הבניין של מוליך הגל שלהם ויצר עותקים מרובים שלהן. "התהליך נשלט היטב וכל התוצאות היו זהות. זה גרם לנו להבין שלשבבי ספיר פוטוניים משולבים יש סיכוי ריאלי של היתכנות".
כיול תהליך הכתיבה בלייזר
אתגר עצום בתהליך, לעומת זאת, היה כיול תהליך הכתיבה בלייזר.
וואנג מסביר ששינויים במקדם השבירה "הם קריטיים לתכנון מבנים אופטימליים, וזה נכון במיוחד לגבישים מכיוון שיש להם מקדם שבירה גבוה ומדידות אינדקס השבירה רבות הן הרסניות. אבל כתיבת מעגלים פוטוניים דורשת שליטה מדויקת מאוד על הלייזר שעבר שינוי. פרופיל, ולכן רצוי גם אפיון מהיר."
כדי לעשות זאת במהירות, החוקרים כתבו עיצוב מערך ליניארי כדי לספק דפוס פלט ייחודי. הדפוס נמצא בקורלציה ישירה לשינויים באינדקס השבירה ויכול לשמש כטביעת אצבע, אומר וואנג: "על ידי מתאם של דפוסים אלה עם סט של סימולציות, נוכל לזהות אפנון מעריכי. זה מאפשר כיול מהיר ואמין לפני כל ייצור".
ג'וליאן פלס, החוקר הראשי בפרויקט, אומר שמכיוון שספיר הוא חומר קשה וגמיש מאוד, "הוא יכול לעמוד בטמפרטורות גבוהות במיוחד של עד 2,000 מעלות וקרינה גבוהה. תכונות אלו הופכות אותו למתאים. לסביבות קיצוניות כגון תעופה וחלל, חלל וייצור חשמל. בנוסף, לספיר חלון ספקטרלי רחב מאוד באזור האינפרא אדום האמצעי, חלון שניתן להשתמש בו ליישומים רפואיים. על ידי הגדלת המורכבות של מעגלים פוטוניים, חיישני ביצועים גבוהים יותר וצפויים מכשירים".
הצוות כבר הדגים את אבני הבניין הבסיסיות של השבב הפוטוני, וכעת הם פועלים באופן אקטיבי לצמצום הפסדים ולהרחיב את מורכבות המעגלים עוד יותר.
