Lysindeslutning i et 3D-rum

De nye tjenester såsom datacenter cloud-sammenkoblingstjenester, ultra-båndbredde videotjenester, og 5G-mobiltjenester stimulerer den hurtige udvikling af fotoniske integrerede kredsløb (PIC), som kan imødekomme den stigende efterspørgsel efter kommunikationssystemer til internet.

Imidlertid, PIC'er i dag opfattes stort set som plane strukturer, i stand til at lede lys i et enkelt plan. Denne planhed opstår på grund af de traditionelle top-down fremstillingsprocesser.

Multiphoton litografi er en ny og lovende 3-D printteknologi, der gør det nemmere at fremstille 3D-objekter, sammenlignet med fremstillingen af ​​3-D-objekter i konventionelle fremstillingsmetoder af renrumstype, der anvendes i elektronik og optoelektronik.

Med denne teknik, der er ikke længere en begrænsning af top-down-eksponeringen for realisering af PIC'er, da det låser op for de funktioner, som den tredje dimension benytter. Udnyttelse af koncepter for additiv fremstilling, 3-D multi-foton litografi involverer brugen af ​​en femtosekund lyskilde til at initiere to-foton polymerisation, når den fokuseres på et specifikt sted i materialet. Denne teknik blev brugt til at realisere de højopløselige 3-D fotoniske strukturer.

Forskere ved Singapore University of Technology and Design (SUTD) har demonstreret højopløselige 3D-bølgeledere, som overskrider begrænsningerne af lysindeslutning i et enkelt plan. I avisen udgivet i Avancerede optiske materialer, Dr. Gao Hongwei, Lektor Dawn Tan og deres kolleger ved Photonics Devices and Systems Group demonstrerede højopløselige 3D-bølgeledere, som leder lys i en spiral- og luftbrokonfiguration (se SEM-billeder nedenfor).

Ved siden af ​​disse nye enheder, de demonstrerede også meget lavt tab 3-D bølgelederkoblere med 1,6dB fiber-bølgeleder koblingstab og 3dB båndbredde over 60nm. Dette er i modsætning til de nuværende industristandarder, som kræver meget arbejdskrævende emballage for tab på omkring 1 dB. Forskerholdet viste, at deres tab var lavt uden at kræve nogen efterbehandling eller post-fabrikationsemballage. Fremstillingen med høj opløsning resulterede også i ringresonatorer med sub-mikron egenskabsstørrelser.

"De fremstillede fotoniske enheder er et innovativt fremskridt inden for fotoniske integrerede kredsløb. Vigtigt, vi var også i stand til at demonstrere fejlfri 30Gb/s NRZ og 56Gb/s PAM4 datatransmission gennem disse bølgeledere. Dette er vigtigt, fordi disse højhastighedstestformater og -hastigheder er i overensstemmelse med dem, der bruges i kommercielle direkte-detektions-transceiverprodukter i dag, " forklarede hovedforsker lektor Tan, som leder gruppen af ​​fotonikenheder og systemer på SUTD.

Ja, holdet formåede kun at udlede små effektstraffe på 0,7 dB for NRZ (bitfejlrate [BER] =10 ^-12 ) og 1,5 dB for PAM4 (BER =10 ^-6 ) fra de fotoniske enheder. Disse resultater viser med succes høj hastighed, fejlfri optisk transmission gennem de 3-D fremstillede bølgeledere. Dette viser også enhedernes egnethed som bølgeledere med lavt tab og optiske sammenkoblinger.

"Vigtigt, 3D-kvaliteten af ​​disse bølgeledere giver os mulighed for at overskride begrænsningerne for traditionelle plane strukturer. På denne måde, det er muligt at opnå langt højere tæthed PIC'er. Den høje opløsning, sub-mikron funktionsstørrelser er også lovende, især for at opnå avancerede funktioner såsom spektralfiltrering, resonatorstrukturer og metaoverflader, " sagde Dr. Gao, den første forfatter til papiret og postdoc-forsker fra SUTD.

"Dette arbejde demonstrerer potentialet ved additiv fremstilling ved fremstilling af avancerede fotoniske enheder med overlegne 3-D-design i høj opløsning, " tilføjede medforfatter lektor Low Hong Yee fra SUTD.

I fremtiden, evnen til at realisere højopløselige 3-D fotoniske strukturer kan skabe endnu flere fremskridt i både form og funktion inden for fotonik, inklusive avanceret optisk signalbehandling, billeddannelsesteknikker og spektroskopiske systemer.