Vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT), forskare har utvecklat ett flexibelt och effektivt koncept för att kombinera optiska komponenter i kompakta system. De använder en högupplöst 3D-utskriftsprocess för att producera små strålformande element direkt på optiska mikrochips eller fibrer och, därav, möjliggöra koppling med låg förlust. Detta tillvägagångssätt ersätter komplicerade positioneringsprocesser som utgör ett stort hinder för många applikationer idag. Forskarna presenterar sitt koncept i Nature Photonics .

Med tanke på den ständigt växande datatrafiken, kommunikation med ljus blir allt viktigare. Sedan många år tillbaka, datacentraler och världsomspännande telekommunikationsnät har använt optiska anslutningar för snabb och energieffektiv överföring av stora mängder data. Den nuvarande utmaningen inom fotonik är att miniatyrisera komponenter och montera dem i kompakta och högpresterande integrerade system som lämpar sig för en mängd olika applikationer, från informations- och kommunikationsteknik till mät- och sensorteknik, till medicinsk teknik.

I det här avseendet, hybridsystem är av mycket stort intresse. De kombinerar ett antal optiska komponenter med olika funktioner. Hybridsystem erbjuder överlägsen prestanda och designfrihet jämfört med monolitiska integrationskoncept, för vilka alla komponenter realiseras på ett chip. Hybridintegration, till exempel, möjliggör individuell optimering och testning av alla komponenter innan de monteras till ett mer komplext system. Installation av optiska hybridsystem, dock, kräver komplexa och dyra metoder för mycket exakt inriktning av komponenter och koppling av optiska gränssnitt med låg förlust.

Forskare på KIT har utvecklat en ny lösning för koppling av optiska mikrochips till varandra eller till optiska fibrer. De använder små strålformande element som skrivs ut direkt på fasetterna hos optiska komponenter genom en högprecisions 3D-utskriftsprocess. Dessa element kan tillverkas med nästan vilken tredimensionell form som helst och möjliggör koppling med låg förlust av olika optiska komponenter med en hög positioneringstolerans.

Forskarna validerade sitt koncept i flera experiment. De producerade mikrometerstora strålformande element i olika design och testade dem på en mängd olika chip- och fiberfasetter. Som rapporterats av forskarna i tidningen Nature Photonics , de nådde kopplingseffektivitet på upp till 88% mellan en indiumfosfidlaser och en optisk fiber. Experimenten utfördes vid Institute of Microstructure Technology (IMT), Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ), och Institute for Automation and Applied Informatics (IAI) från KIT, i samarbete med Fraunhofer Institute for Telecommunications (Heinrich Hertz Institute, HHI) i Berlin och IBM Research i Zürich. Tekniken överförs för närvarande till industriell tillämpning av Vanguard Photonics, en spinoff av KIT, under PRIMA -projektet som finansieras av det federala ministeriet för utbildning och forskning.

För produktion av de tredimensionella elementen, forskarna använde multi-foton litografi:Lager för lager, en laser med en ultrakort pulslängd skriver de givna strukturerna till en fotoresist som härdar samtidigt. På det här sättet, 3D-strukturer så små som några hundra nanometer kan skrivas ut. Förutom mikrolinser, processen är också lämplig för att producera andra element i fri form, som mikromirror, för samtidig anpassning av strålform och utbredningsriktning. Dessutom, kompletta flerlinssystem för strålexpansion kan tillverkas. Med dem, positioneringstoleransen vid montering av komponenterna förbättras.

"Vårt koncept banar väg för automatiserade och, därav, kostnadseffektiv tillverkning av högpresterande och mångsidiga optiska hybridsystem, säger professor Christian Koos, Chef för IPQ och ledamot i IMT:s styrelse samt medgrundare av Vanguard Photonics. "Därav, det bidrar i huvudsak till att använda den stora potentialen för integrerad optik i industriella applikationer. "