В статье, опубликованной в журнале Nature Scientific Reports, группа сообщила, что использовала сверхбыстрые фемтосекундные лазеры для создания трехмерного монокристалла, способного направлять световые волны через стекло с небольшой потерей света.Статья, опубликованная 19 мая, называется «Прямая лазерная запись сегнетоэлектрических монокристаллических волноводов в стекле для трехмерной интегрированной оптики».Ведущий автор статьи Адам Стоун получил докторскую степень. в области материаловедения и инженерии из Лихай в 2014 году. Соавторами являются Химаншу Джайн, профессор материаловедения и инженерии, и Фолькмар Дьерольф, профессор физики из Лихай, а также исследователи из Киотского университета в Японии и Политехнического института Монреаля в Канаде.
Группа заявляет, что ее достижение будет стимулировать текущие усилия по разработке фотонных интегральных схем (PIC), которые меньше, дешевле, более энергоэффективны и надежнее существующих сетей, в которых используются дискретные оптоэлектронные компоненты — волноводы, сплиттеры, модуляторы, фильтры, усилители. -для передачи оптических сигналов.«Основная тенденция в оптике, — пишут исследователи, — заключалась в том, чтобы … заменить системы из больших дискретных компонентов, которые обеспечивают индивидуальные функции, компактными и многофункциональными PIC, почти так же, как интеграция электроники привела к впечатляющим результатам. достижения современных компьютерных систем ».Однако, по словам исследователей, для этого перехода необходимы улучшенные методы изготовления 3D PIC.
«Методы, используемые в настоящее время для изготовления PIC, — это фотолитография и другие процессы, подходящие для плоской геометрии», — пишут исследователи. «Технологии изготовления 3D PIC позволят получить гораздо более высокую плотность компонентов и гораздо более компактные устройства, и в то же время создать возможности для новых технологий, таких как 3D оптическая память высокой плотности».По словам исследователей, для создания 3D PIC необходимо, во-первых, предотвратить рассеяние света во время его передачи и, во-вторых, передавать световые сигналы и управлять ими достаточно быстро, чтобы обрабатывать все большие объемы данных.По словам исследователей, стекло, аморфный материал с изначально неупорядоченной атомной структурой, не может справиться с этими проблемами. Кристаллы с их высокоупорядоченной специфической структурой решетки обладают необходимыми оптическими качествами.
«Аморфные волноводы принципиально лишены оптической нелинейности второго порядка из-за их изотропно неупорядоченной атомной структуры, — пишут исследователи, — поэтому для некоторых фотонных приложений, которые не только транспортируют, но и манипулируют фотонными сигналами … требуются кристаллические подложки с нелинейно-оптическим откликом второго порядка. .«Поэтому способность создавать рисунки на нелинейно-оптических кристаллах в стекле имеет важное значение для трехмерного лазерного изготовления ПОС, чтобы полностью реализовать свой потенциал».Для создания рисунка кристаллов на стекле группа Lehigh-led использовала фемтосекундные лазеры, скорость и точность которых делают их полезными при катаракте и других операциях на глазах. Фемтосекунда — это одна квадриллионная, или 10-15 секунды.
Импульсы, излучаемые фемтосекундными лазерами, длятся от нескольких фемтосекунд до сотен фемтосекунд.По словам Джайна, ученые годами пытались сделать кристаллы в стекле, чтобы предотвратить рассеивание света при передаче световых сигналов.
Задача осложняется «взаимоисключающим» характером свойств хрусталя и стекла.По словам Джайна, стекло превращается в кристалл при нагревании, но очень важно контролировать переход.«Вопрос в том, сколько времени займет этот процесс и получим ли мы один кристалл или несколько.
Нам нужен один кристалл; свет не может проходить через несколько кристаллов. И нам нужно, чтобы кристалл имел правильную форму и форму».После проведения экспериментов в Лихайе, Университете Киото и Политехническом университете Монреаля группа построила монокристалл в стекле, продемонстрировала его волноводные возможности и количественно оценила эффективность передачи. И стекло, и кристалл состояли из борогерманата лантана (LaBGeO5), сегнетоэлектрического материала.
«Мы достигли качества, — говорит Диерольф, — направляя свет от одного конца кристалла к другому с очень небольшой потерей света.«Мы сделали эквивалент провода для направления света. С нашим кристаллом это можно сделать в 3D, так что провод — свет — может изгибаться и изгибаться при передаче.
Это дает нам потенциал нанесения различных компонентов на разные слои стекла ".Тот факт, что демонстрация проводилась с использованием сегнетоэлектрических материалов, является еще одним плюсом, говорит Дьерольф.
«Сегнетоэлектрические кристаллы продемонстрировали электрооптический эффект, который можно использовать для переключения и направления света из одного места в другое, как это делает сканер в супермаркете. Сегнетоэлектрические кристаллы также могут преобразовывать свет с одной частоты на другую.
Это позволяет передавать свет по разным каналам ".«Другие группы изготавливали хрусталь в стекле, но не смогли продемонстрировать качество», — говорит Джайн. «Благодаря качеству нашего кристалла мы переступили порог, позволяющий сделать идею полезной. В результате сейчас мы изучаем разработку новых устройств для оптической связи в сотрудничестве с крупной компанией».Фемтосекундный лазер дает несколько важных преимуществ, говорят Дирольф и Джайн.
Высокая интенсивность лазерного импульса обеспечивает нелинейное оптическое поглощение. Точная фокусировка позволяет исследователям контролировать, где фокусируется лазер и где поглощается свет.
«Мы можем нагревать стекло только локально, — говорит Джайн, — создавая желаемые условия и заставляя стекло плавиться или почти плавиться, пока оно не превратится в кристалл».Уникальная фокусировка фемтосекундного лазера также позволяет «писать» кристалл внутри стекла, а не на его поверхности.
«Мы не хотим писать на поверхности, мы хотим писать только глубоко внутри стекла», — говорит Джайн. «Каким-то образом вам нужно поместить лазер внутрь стекла, прежде чем включать его. Мы делаем это, используя свойство фемтосекундных лазеров — что только в фокусной точке лазера имеется достаточная интенсивность, чтобы вызвать желаемое изменение. . "По словам Дирольфа, нелинейное поглощение света зависит от интенсивности света в выбранных областях.«Если вы удвоите интенсивность лазера, вы можете получить в 20-100 раз больше поглощения. Вы можете сделать это с помощью фемтосекундных импульсов, которые очень интенсивны в течение очень короткого периода времени.
В Киото есть специальная лаборатория для этого. Теперь у нас есть получил грант CREF [Фонд оборудования для критических исследований] от Lehigh на создание здесь такого рода объекта ».По словам Джейна, исследователи из Lehigh работали над этим проектом более десяти лет. Проект стартовал в Центре оптических технологий Лихай на средства, предоставленные Департаментом общественного и экономического развития Пенсильвании.
Впоследствии NSF предоставил финансирование для работы в Lehigh, а также через Международный институт материалов Lehigh для новых функций в стекле, для международного сотрудничества. Джайн — директор IMI-NFG.
