オックスフォード大学の研究者らは、フェムト秒レーザーを使用してサファイアに何百もの導波路を書き込み、サファイアのフォトニックチップが現実世界での実現可能性を秘めていることを示唆しています。
図1: 長さ4cmのサファイア集積フォトニックチップ。
光集積回路 (PIC) では、現在主にガラスとして使用されている本体基板材料上に光デバイスをコンパクトに集積する必要があります。 ガラスには独自の制限があるため、英国のオックスフォード大学の研究者は、ガラスに代わる基板材料としてサファイアの使用を検討しています。
サファイアで高品質の集積フォトニクス回路を構築すると、通信、センシング、量子コンピューティングなどのアプリケーションに多くの新たな可能性が開かれる可能性があります。
オックスフォード大学工学部の研究者であるモハン・ワン氏は、「コンパクトなフォトニック回路の基本的な構成要素は導波路です。そして、レーザー加工を使用して、設計されたパターンでサファイアに「書き込む」ことができます。導波路アレイ。導波路アレイに光を注入すると、光は設計された経路に沿って伝播するため、非常に複雑な機能を実現するためにサファイアに何百もの導波路を書き込むことができます。」
フェムト秒レーザーがサファイアに導波路を書き込む
フェムト秒レーザーは非常に強力であり、マイクロメートルスケールまで集束できるため、フェムト秒レーザーはこれらの導波路を材料の大きな塊に書き込むことができます。 「これにより、焦点ボリューム内の材料内で非線形イオン化が起こり、その結果、屈折率が変化します。」 ワン氏は、「フェムト秒レーザーと、設計された軌道に沿った三次元ナノ精度プラットフォーム上に搭載されたサファイアバルク材料との間の相対運動により、設計した統合フォトニクスパスをサファイア基板上に書き込むことが可能になる」と述べた。 」
導波路は、周囲の領域に比べて屈折率が高い材料の領域によって形成され、集積フォトニクスで使用される最も一般的な材料はガラスです。
「ガラスをフェムト秒レーザーに当てると屈折率が増加するため、サンプルの内側に沿ってレーザーを走査することで導波路を書き込むのは簡単です。」 Wang 氏は、「しかし、サファイア結晶では、レーザーによって屈折率が低下します。そのため、導波路を必要な場所に書き込むのではなく、導波路の外側に書き込み、周囲の領域の屈折率を下げます。これは凹型クラッドと呼ばれます」と述べています。導波路であり、サファイアファイバーに関する以前の研究でもそれを使用しました。」
今回、彼らはプロセスを改善し、サファイアに関する同グループの以前の研究と比較して導波路の光損失を低減した。 これにより、長さ 4cm の導波路を作成できるようになりました。これは、1:2 光スプリッタなどのより複雑な構造を作成できることも意味します (図 1 を参照)。
チームは導波管構成要素を最適化し、それらのコピーを複数作成しました。 「プロセスは非常によく制御されており、結果はすべて同じでした。これにより、統合型サファイアフォトニックチップには実現可能性の現実的な見通しがあることがわかりました。」
レーザー書き込みプロセスの校正
ただし、このプロセスにおける大きな課題は、レーザー書き込みプロセスの校正でした。
ワン氏は、屈折率の変化は「最適化された構造を設計するために重要であり、これは特に結晶に当てはまります。結晶は屈折率が高く、多くの屈折率測定は破壊的であるためです。しかし、フォトニック回路の書き込みには、レーザーで修正された回路の非常に正確な制御が必要です」と説明しています。プロファイルが異なるため、迅速な特性評価も望まれます。」
これを迅速に行うために、研究者らは、独自の出力パターンを提供する線形アレイ設計を作成しました。 このパターンは屈折率の変化と直接相関しており、指紋として使用できるとワン氏は述べています。「これらのパターンを一連のシミュレーションと相関させることで、指数関数的変調を特定できます。これにより、各製造前に高速で信頼性の高い校正が可能になります。」
このプロジェクトの主任研究者であるジュリアン・フェルズ氏は、サファイアは非常に硬くて弾力性のある材料であるため、「最大2000度の超高温と高放射線に耐えることができる。これらの特性によりサファイアは適している」と述べている。航空宇宙、宇宙、発電などの極限環境に適したサファイアは、医療用途に使用できる中赤外領域の非常に広いスペクトル窓を持っていますフォトニック回路の複雑性を高めることで、より高性能なセンサーが得られますそしてデバイスが期待されています。」
チームはすでにフォトニックチップの基本構成要素を実証しており、現在、損失を削減し、回路の複雑さをさらに拡張するために積極的に取り組んでいます。
