Forskere bruger flydende krystaller til at kontrollere polarisering inde i laserskrevne bølgeledere

Forskere har udviklet en ny måde at kontrollere og manipulere optiske signaler ved at indlejre et flydende krystallag i bølgeledere skabt med direkte laserskrivning. De nye enheder muliggør elektro-optisk styring af polarisering, hvilket kan åbne nye muligheder for chip-baserede enheder og komplekse fotoniske kredsløb baseret på femtosekundsskrevne bølgeledere.

"Laserskrivning af bølgeledere og elektro-optisk modulation via flydende krystaller er ikke blevet kombineret på denne måde før," sagde Alessandro Alberucci fra Friedrich Schiller University Jena i Tyskland. "Håbet er, at denne teknologi kan bruges til at skabe en ny klasse af integrerede fotoniske enheder, der kan behandle store mængder information til datacentre og andre dataintensive applikationer."

I tidsskriftet Optical Materials Express , beskriver forskerne, hvordan de skabte en afstembar bølgeplade inde i en smeltet silica-bølgeleder. Når spænding påføres den flydende krystal, roterer dens molekyler, hvilket ændrer polariseringen af ​​lys, der transmitteres gennem bølgelederen. I eksperimenter demonstrerede forskerne fuld modulering af optisk polarisation ved to forskellige synlige bølgelængder.

"Vores arbejde baner vejen for at integrere nye typer optiske funktioner i hele volumen af ​​en enkelt glaschip, hvilket muliggør kompakte 3D fotoniske integrerede enheder, som ikke var mulige tidligere," sagde Alberucci. "Den unikke 3D karakter af femtosekund-skrevne bølgeledere kunne bruges til at skabe nye rumlige lysmodulatorer, hvor hver pixel adresseres separat af en bølgeleder. Teknologien kan også finde anvendelse i den eksperimentelle realisering af tætte optiske neurale netværk."

Bringer to nøgleteknologier sammen

Femtosekundlasere kan bruges til at skrive bølgeledere dybt inde i et materiale - i modsætning til kun på overfladen som andre metoder - hvilket gør det til en lovende tilgang til at maksimere antallet af bølgeledere på en enkelt chip. Denne tilgang involverer fokusering af en intens laserstråle inde i et gennemsigtigt materiale. Når den optiske intensitet er høj nok, modificerer strålen materialet under belysning og fungerer således som en slags pen med mikrometerpræcision.

"Den vigtigste mangel ved at bruge femtosekund laserskriveteknologi til at skabe bølgeledere er vanskeligheden ved at modulere det optiske signal i disse bølgeledere," sagde Alberucci. "Da et komplet kommunikationsnetværk har brug for enheder, der er i stand til at styre det transmitterede signal, udforsker vores arbejde nye løsninger for at overvinde denne begrænsning."

I det nye papir kombinerede forskerne to grundlæggende fotoniske teknologier ved at indlejre et lag flydende krystal i en bølgeleder. Når strålen, der forplanter sig inde i bølgelederen, kommer ind i det flydende krystallag, ændrer den lysets fase og polarisering, når et elektrisk felt påføres. Den modificerede stråle bevæger sig derefter gennem den anden sektion af bølgelederen, så en stråle med modulerede egenskaber udbreder sig.

"Hybridiseringen giver adgang til fordelene ved begge teknologier i den samme enhed:en stor koncentration af lys på grund af den styrende effekt og en stor grad af tunability forbundet med flydende krystaller," sagde Alberucci. "Denne forskning leder vejen til at bruge flydende krystal egenskaber som en modulator i fotoniske enheder, der har bølgeledere indlejret i hele deres volumen."

Fordele ved den hybride tilgang

Selvom optisk modulering i femtosekund laserskrevne bølgeledere tidligere er blevet opnået ved lokal opvarmning af bølgelederen, tillader brugen af ​​flydende krystaller i det nye arbejde direkte kontrol af polarisationen. "Vores tilgang har flere potentielle fordele:lavere strømforbrug, muligheden for at adressere enkelte bølgeledere i bulk uafhængigt og mindre krydstale mellem tilstødende bølgeledere," sagde Alberucci.

For at teste enhederne injicerede forskerne laserlys i bølgelederen og varierede derefter spændingen påført det flydende krystallag, som modulerede lyset. Den målte polarisering ved udgangen varierede som forudsagt af teori. De fandt også ud af, at integration af den flydende krystal med bølgelederne efterlod de flydende krystallers modulationsegenskaber uændrede.

Forskerne påpeger, at denne undersøgelse kun er et proof of concept, så der skal arbejdes mere, før teknologien er klar til praktiske anvendelser. For eksempel modulerer den aktuelle enhed hver bølgeleder på samme måde, så de arbejder på at opnå uafhængig kontrol af hver bølgeleder.

Flere oplysninger: Kim Lammers et al., Elektro-optisk kontrol af polarisation i femtosekund-laser-skrevne bølgeledere ved hjælp af en indlejret flydende krystalcelle, Optical Materials Express (2023). DOI:10.1364/OME.507230

Leveret af Optica