3-D nanoprint letter kommunikation med lys

På Karlsruhe Institute of Technology (KIT), forskere har udviklet et fleksibelt og effektivt koncept til at kombinere optiske komponenter i kompakte systemer. De bruger en højopløsnings 3-D printproces til at producere små stråleformende elementer direkte på optiske mikrochips eller fibre og, derfor, muliggør kobling med lavt tab. Denne tilgang erstatter komplicerede positioneringsprocesser, der udgør en stor hindring for mange applikationer i dag. Forskerne præsenterer deres koncept i Naturfotonik .

I lyset af konstant voksende datatrafik, kommunikation med lys får stadig større betydning. I mange år nu, computercentre og verdensomspændende telekommunikationsnetværk har brugt optiske forbindelser til hurtig og energieffektiv transmission af store mængder data. Den nuværende udfordring inden for fotonik er at miniaturisere komponenter og samle dem i kompakte og højtydende integrerede systemer, der er egnede til en række forskellige applikationer, fra informations- og kommunikationsteknologier til måle- og sensorteknologier, til medicinteknik.

I denne henseende, hybridsystemer er af meget stor interesse. De kombinerer en række optiske komponenter med forskellige funktioner. Hybridsystemer tilbyder overlegen ydeevne og designfrihed sammenlignet med monolitiske integrationskoncepter, hvor alle komponenter er realiseret på en chip. Hybrid integration, for eksempel, giver mulighed for individuel optimering og test af alle komponenter, før de samles til et mere komplekst system. Opsætning af optiske hybridsystemer, imidlertid, kræver komplekse og dyre metoder til meget præcis justering af komponenter og kobling med lavt tab af optiske grænseflader.

Forskere fra KIT har udviklet en ny løsning til kobling af optiske mikrochips til hinanden eller til optiske fibre. De bruger bittesmå stråleformende elementer, der printes direkte på facetter af optiske komponenter ved en højpræcisions 3-D printproces. Disse elementer kan fremstilles med næsten enhver tredimensionel form og muliggør kobling med lavt tab af forskellige optiske komponenter med en høj positioneringstolerance.

Forskerne validerede deres koncept i flere eksperimenter. De producerede mikrometer-størrelse stråleformende elementer af forskellige designs og testede dem på en række chip- og fiberfacetter. Som rapporteret af forskerne i tidsskriftet Naturfotonik , de nåede koblingseffektiviteter på op til 88 % mellem en indiumphosphidlaser og en optisk fiber. Forsøgene er udført på Institut for Mikrostrukturteknologi (IMT), Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ), og Institute for Automation and Applied Informatics (IAI) fra KIT, i samarbejde med Fraunhofer Institute for Telecommunications (Heinrich Hertz Institute, HHI) i Berlin og IBM Research i Zürich. Teknologien bliver i øjeblikket overført til industriel anvendelse af Vanguard Photonics, et spinoff af KIT, under PRIMA-projektet finansieret af Forbundsministeriet for Uddannelse og Forskning.

Til fremstilling af de tredimensionelle elementer, forskerne brugte multi-foton litografi:lag for lag, en laser med en ultrakort pulslængde skriver de givne strukturer ind i en fotoresist, der hærder samtidigt. På denne måde 3D-strukturer så små som et par hundrede nanometer kan udskrives. Udover mikrolinser, processen er også velegnet til fremstilling af andre friformselementer, såsom mikrospejle, til samtidig tilpasning af stråleform og udbredelsesretning. Ud over, komplette multilinsesystemer til stråleudvidelse kan fremstilles. Med dem, positioneringstolerance under montering af komponenterne er forbedret.

"Vores koncept baner vejen for automatiseret og, derfor, omkostningseffektiv fremstilling af højtydende og alsidige optiske hybridsystemer, siger professor Christian Koos, Leder af IPQ og medlem af bestyrelsen for IMT samt medstifter af Vanguard Photonics. "Derfor, det bidrager i det væsentlige til at bruge det enorme potentiale af integreret optik i industrielle applikationer."