นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ดได้ใช้เลเซอร์ femtosecond เพื่อเขียนท่อนำคลื่นหลายร้อยเส้นในแซฟไฟร์ ซึ่งบ่งชี้ว่าชิปโฟโตนิกของแซฟไฟร์มีความเป็นไปได้ในโลกแห่งความเป็นจริง
รูปที่ 1: ชิปโฟโตนิกที่รวมแซฟไฟร์ยาว 4 ซม.
วงจรรวมโฟโตนิก (PIC) จำเป็นต้องมีการรวมอุปกรณ์โฟโตนิกไว้อย่างแน่นหนาบนวัสดุพื้นผิวของตัวเครื่อง ซึ่งปัจจุบันใช้เป็นแก้วเป็นหลัก แก้วมีข้อจำกัดของตัวเอง ดังนั้น นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ดในสหราชอาณาจักรจึงกำลังสำรวจการใช้แซฟไฟร์เป็นวัสดุทางเลือกทดแทนกระจก
การสร้างวงจรโฟโตนิกส์แบบบูรณาการคุณภาพสูงในแซฟไฟร์สามารถเปิดโอกาสใหม่ๆ มากมายสำหรับการใช้งาน เช่น การสื่อสาร การตรวจจับ หรือการคำนวณควอนตัม
Mohan Wang นักวิจัยในภาควิชาวิศวกรรมศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ดกล่าวว่า "องค์ประกอบพื้นฐานของวงจรโฟโตนิกขนาดกะทัดรัดคือท่อนำคลื่น และเราสามารถใช้การผลิตด้วยเลเซอร์เพื่อ 'เขียน' แซฟไฟร์ในรูปแบบที่ออกแบบไว้ของแซฟไฟร์ ' อาร์เรย์ท่อนำคลื่น เมื่อเราฉีดแสงเข้าไปในอาร์เรย์ท่อนำคลื่น แสงจะแพร่กระจายไปตามเส้นทางที่ออกแบบเพื่อให้เราสามารถเขียนท่อนำคลื่นหลายร้อยเส้นในแซฟไฟร์สำหรับฟังก์ชันที่ซับซ้อนมาก"
เลเซอร์ Femtosecond เขียนท่อนำคลื่นด้วยแซฟไฟร์
เลเซอร์เฟมโตวินาทีสามารถเขียนท่อนำคลื่นเหล่านี้ลงในวัสดุชิ้นใหญ่ได้ เนื่องจากเลเซอร์เฟมโตวินาทีมีความเข้มข้นสูงมากและสามารถโฟกัสลงไปที่ระดับไมโครมิเตอร์ได้ "สิ่งนี้นำไปสู่การแตกตัวเป็นไอออนแบบไม่เชิงเส้นภายในวัสดุในปริมาตรโฟกัส ซึ่งส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสง" Wang กล่าวว่า "ด้วยการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างเลเซอร์ femtosecond และวัสดุที่มีปริมาณแซฟไฟร์ ซึ่งติดตั้งอยู่บนแพลตฟอร์มที่มีความแม่นยำระดับนาโนสามมิติ ตามแนววิถีที่ออกแบบไว้ จึงเป็นไปได้ที่จะเขียนเส้นทางโฟโตนิกส์แบบบูรณาการที่เราออกแบบไว้บนพื้นผิวแซฟไฟร์ "
ท่อนำคลื่นถูกสร้างขึ้นจากบริเวณของวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงเมื่อเทียบกับบริเวณรอบๆ และวัสดุที่ใช้กันทั่วไปในโฟโตนิกส์แบบบูรณาการคือแก้ว
"การให้กระจกสัมผัสกับเลเซอร์เฟมโตวินาทีจะเพิ่มดัชนีการหักเหของแสง ดังนั้นการเขียนท่อนำคลื่นโดยการสแกนเลเซอร์ตามแนวด้านในของตัวอย่างจึงเป็นเรื่องง่าย" Wang กล่าวว่า "แต่ในคริสตัลแซฟไฟร์ เลเซอร์จะลดดัชนีการหักเหของแสง ดังนั้นแทนที่จะเขียนท่อนำคลื่นในตำแหน่งที่เราต้องการ เราเขียนที่ด้านนอกเพื่อลดดัชนีการหักเหของแสงในพื้นที่โดยรอบ ซึ่งเรียกว่าการหุ้มแบบฝัง ท่อนำคลื่น และเราใช้มันในงานก่อนหน้าของเราเกี่ยวกับเส้นใยแซฟไฟร์"
ครั้งนี้พวกเขาได้ปรับปรุงกระบวนการและลดการสูญเสียการมองเห็นของท่อนำคลื่น เมื่อเทียบกับงานแซฟไฟร์ครั้งก่อนของกลุ่ม ซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถเขียนท่อนำคลื่นที่มีความยาว 4 ซม. ซึ่งหมายความว่าพวกเขาสามารถเขียนโครงสร้างที่ซับซ้อนมากขึ้นได้ เช่น ตัวแยกแสง 1:2 (ดูรูปที่ 1)
ทีมงานได้ปรับโครงสร้างท่อนำคลื่นของตนให้เหมาะสมและทำสำเนาหลายชุด "กระบวนการนี้ได้รับการควบคุมอย่างดีมากและผลลัพธ์ทั้งหมดก็เหมือนกัน ซึ่งทำให้เราตระหนักว่าชิปโฟโตนิกแซฟไฟร์ที่ผสานรวมเข้าด้วยกันนั้นมีความเป็นไปได้ที่สมจริง"
การปรับเทียบกระบวนการเขียนด้วยเลเซอร์
อย่างไรก็ตาม ความท้าทายอย่างมากในกระบวนการนี้คือการปรับเทียบกระบวนการเขียนด้วยเลเซอร์
Wang อธิบายว่าการเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสง "มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสมที่สุด และนี่เป็นเรื่องจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับคริสตัลเนื่องจากมีดัชนีการหักเหของแสงสูงและการวัดดัชนีการหักเหของแสงจำนวนมากเป็นอันตราย แต่การเขียนวงจรโฟโตนิกจำเป็นต้องมีการควบคุมที่แม่นยำมากของการแก้ไขด้วยเลเซอร์ โปรไฟล์ ดังนั้นการแสดงลักษณะเฉพาะอย่างรวดเร็วจึงเป็นที่พึงปรารถนาเช่นกัน"
เพื่อดำเนินการนี้อย่างรวดเร็ว นักวิจัยได้เขียนการออกแบบอาร์เรย์เชิงเส้นเพื่อสร้างรูปแบบเอาท์พุตที่เป็นเอกลักษณ์ รูปแบบนี้มีความสัมพันธ์โดยตรงกับการเปลี่ยนแปลงของดัชนีการหักเหของแสง และสามารถใช้เป็นลายนิ้วมือได้ Wang กล่าวว่า "ด้วยการเชื่อมโยงรูปแบบเหล่านี้กับชุดการจำลอง เราจึงสามารถระบุการปรับแบบเอกซ์โปเนนเชียลได้ ช่วยให้สามารถสอบเทียบได้อย่างรวดเร็วและเชื่อถือได้ก่อนการผลิตแต่ละครั้ง"
Julian Fells หัวหน้านักวิจัยของโครงการนี้กล่าวว่าเนื่องจากแซฟไฟร์เป็นวัสดุที่แข็งและยืดหยุ่นได้มาก "จึงสามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงเป็นพิเศษได้สูงสุดถึง 2,000 องศา และการแผ่รังสีที่สูง คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้มีความเหมาะสม สำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น การบินและอวกาศ อวกาศ และการผลิตพลังงาน นอกจากนี้ แซฟไฟร์ยังมีหน้าต่างสเปกตรัมที่กว้างมากในภูมิภาคอินฟราเรดกลาง ซึ่งเป็นหน้าต่างที่สามารถนำมาใช้ในการใช้งานทางการแพทย์ได้ โดยการเพิ่มความซับซ้อนของวงจรโฟโตนิก เซ็นเซอร์ประสิทธิภาพสูงขึ้น และคาดว่าจะมีอุปกรณ์ต่างๆ”
ทีมงานได้สาธิตองค์ประกอบพื้นฐานของชิปโทนิคแล้ว และตอนนี้พวกเขากำลังทำงานอย่างแข็งขันเพื่อลดการสูญเสียและขยายความซับซ้อนของวงจรให้ดียิ่งขึ้นไปอีก
