Des chercheurs de l'Université d'Oxford ont utilisé un laser femtoseconde pour écrire des centaines de guides d'ondes dans du saphir, suggérant que les puces photoniques en saphir promettent une faisabilité réelle.
Figure 1 : Puce photonique intégrée en saphir de 4 cm de long.
Les circuits intégrés photoniques (PIC) nécessitent une intégration compacte de dispositifs photoniques sur un matériau de substrat corporel, actuellement utilisé principalement comme verre. Le verre a ses propres limites, c'est pourquoi des chercheurs de l'Université d'Oxford au Royaume-Uni étudient l'utilisation du saphir comme matériau de substrat alternatif au verre.
La construction de circuits photoniques intégrés de haute qualité dans le saphir pourrait ouvrir de nombreuses nouvelles possibilités pour des applications telles que les communications, la détection ou l'informatique quantique.
"Les éléments de base de tout circuit photonique compact sont les guides d'ondes", explique Mohan Wang, chercheur au Département des sciences de l'ingénieur de l'Université d'Oxford, "et nous pouvons utiliser la fabrication laser pour" écrire "dans le saphir selon un motif conçu de " Réseaux de guides d'ondes. Lorsque nous injectons de la lumière dans les réseaux de guides d'ondes, la lumière se propage le long du chemin conçu afin que nous puissions écrire des centaines de guides d'ondes en saphir pour des fonctions très complexes. "
Un laser femtoseconde écrit des guides d'ondes dans le saphir
Les lasers femtoseconde peuvent écrire ces guides d'ondes dans de gros morceaux de matériau, car les lasers femtoseconde sont extrêmement intenses et peuvent être focalisés jusqu'à l'échelle micrométrique. "Cela conduit à une ionisation non linéaire au sein du matériau dans le volume focal, ce qui entraîne une modification de l'indice de réfraction." Wang a déclaré : « Grâce au mouvement relatif entre le laser femtoseconde et le matériau en vrac saphir, qui est monté sur une plate-forme de nanoprécision tridimensionnelle, le long de la trajectoire conçue, il est possible d'écrire les chemins photoniques intégrés que nous avons conçus sur le substrat saphir. "
Les guides d'ondes sont formés de régions de matériaux présentant un indice de réfraction élevé par rapport à leurs régions environnantes, et le matériau le plus couramment utilisé en photonique intégrée est le verre.
"L'exposition du verre à un laser femtoseconde augmente son indice de réfraction, il est donc simple d'écrire le guide d'onde en balayant le laser à l'intérieur de l'échantillon." Wang explique : « Mais dans les cristaux de saphir, le laser diminue l'indice de réfraction. Ainsi, au lieu d'écrire le guide d'ondes là où nous le souhaitons, nous écrivons à l'extérieur pour abaisser l'indice de réfraction dans la zone environnante. C'est ce qu'on appelle un revêtement encastré. guide d'ondes, et nous l'avons utilisé dans nos travaux précédents sur les fibres de saphir.
Cette fois, ils ont amélioré le processus et réduit la perte optique du guide d'onde par rapport aux travaux précédents du groupe sur le saphir. Cela leur permet désormais d'écrire des guides d'ondes de 4 cm de long, ce qui signifie également qu'ils peuvent écrire des structures plus complexes telles que des séparateurs optiques 1:2 (voir Figure 1).
L’équipe a optimisé ses éléments constitutifs de guides d’ondes et en a réalisé plusieurs copies. "Le processus était très bien contrôlé et tous les résultats étaient les mêmes. Cela nous a fait réaliser que les puces photoniques à saphir intégrées avaient des perspectives de faisabilité réalistes."
Calibrage du processus d'écriture laser
L’un des défis majeurs du processus consistait toutefois à calibrer le processus d’écriture laser.
Wang explique que les changements d'indice de réfraction « sont essentiels à la conception de structures optimisées, et cela est particulièrement vrai pour les cristaux car ils ont un indice de réfraction élevé et de nombreuses mesures d'indice de réfraction sont destructrices. Mais l'écriture de circuits photoniques nécessite un contrôle très précis de l'indice de réfraction modifié par laser. profil, une caractérisation donc rapide est également souhaitable.
Pour y parvenir rapidement, les chercheurs ont élaboré une conception de réseau linéaire afin de fournir un modèle de sortie unique. Le motif est directement corrélé aux changements de l'indice de réfraction et peut être utilisé comme empreinte digitale, explique Wang : "En corrélant ces modèles avec un ensemble de simulations, nous pouvons identifier la modulation exponentielle. Cela permet un étalonnage rapide et fiable avant chaque fabrication."
Julian Fells, le chercheur principal du projet, affirme que le saphir étant un matériau très dur et résilient, « il peut résister à des températures ultra-élevées allant jusqu'à 2,000 degrés et à des rayonnements élevés. Ces propriétés le rendent approprié. pour les environnements extrêmes tels que l'aérospatiale, l'espace et la production d'énergie. De plus, le saphir possède une fenêtre spectrale très large dans la région infrarouge moyen, une fenêtre qui peut être utilisée pour des applications médicales. En augmentant la complexité des circuits photoniques, des capteurs plus performants et des appareils sont attendus."
L’équipe a déjà démontré les éléments de base de la puce photonique et travaille désormais activement à réduire les pertes et à étendre encore plus la complexité des circuits.
