De framväxande tjänsterna som molnsammankopplingstjänster för datacenter, videotjänster med ultrabandbredd, och 5G-mobiltjänster stimulerar den snabba utvecklingen av fotoniska integrerade kretsar (PIC), som kan möta den ökande efterfrågan på kommunikationssystem för internet.

Dock, PIC uppfattas idag till stor del som plana strukturer, kan leda ljus i ett enda plan. Denna planaritet uppstår på grund av de traditionella top-down tillverkningsprocesserna.

Multiphoton litografi är en ny och lovande 3D-utskriftsteknik som gör att 3D-objekt kan tillverkas lättare, jämfört med tillverkningen av 3D-objekt i konventionella tillverkningsmetoder av renrumstyp som används inom elektronik och optoelektronik.

Med denna teknik, det finns inte längre en begränsning av top-down exponering för realisering av PICs eftersom det låser upp funktionerna som utnyttjas av den tredje dimensionen. Utnyttja koncept för additiv tillverkning, 3-D multifotonlitografi involverar användningen av en femtosekundsljuskälla för att initiera tvåfotonpolymerisation när den fokuseras på en specifik plats i materialet. Denna teknik användes för att realisera de högupplösta 3D-fotoniska strukturerna.

Forskare vid Singapore University of Technology and Design (SUTD) har visat högupplösta 3D-vågledare som överskrider begränsningarna av ljusinneslutning i ett enda plan. I tidningen publicerad i Avancerade optiska material, Dr Gao Hongwei, Docent Dawn Tan och deras kollegor vid Photonics Devices and Systems Group demonstrerade högupplösta 3D-vågledare som styr ljus i en spiral- och luftbryggkonfiguration (se SEM-bilder nedan).

Vid sidan av dessa nya enheter, de visade också mycket låga förluster 3-D-vågledarkopplare med 1,6dB fiber-vågledarkopplingsförluster och 3dB bandbredd överstigande 60nm. Detta står i kontrast till de nuvarande industristandarderna som kräver mycket arbetsintensiv förpackning för förluster på cirka 1 dB. Forskargruppen visade att deras förluster var låga utan att kräva någon efterbearbetning eller efterbearbetning. Den högupplösta tillverkningen resulterade också i ringresonatorer med sub-mikron funktionsstorlekar.

"De tillverkade fotoniska enheterna är en innovativ framsteg inom området fotoniska integrerade kretsar. Viktigt är att vi kunde också demonstrera felfri 30Gb/s NRZ och 56Gb/s PAM4 dataöverföring genom dessa vågledare. Detta är viktigt eftersom dessa höghastighetstestningsformat och -hastigheter är i linje med de som används i kommersiella transceiverprodukter för direktdetektering idag, " förklarade huvudforskaren docent Tan som leder gruppen för fotonikenheter och system vid SUTD.

Verkligen, teamet lyckades härleda endast små kraftstraff på 0,7 dB för NRZ (bitfelsfrekvens [BER] =10 ^-12 ) och 1,5 dB för PAM4 (BER =10 ^-6 ) från de fotoniska enheterna. Dessa resultat visar framgångsrikt hög hastighet, felfri optisk överföring genom de 3D-tillverkade vågledarna. Detta visar också upp enheternas lämplighet som lågförlustvågledare och optiska sammankopplingar.

"Viktigt, 3D-kvaliteten hos dessa vågledare tillåter oss att överskrida begränsningarna för traditionella plana strukturer. På det här sättet, det är möjligt att uppnå PIC:er med mycket högre densitet. Den höga upplösningen, storleken på submikronfunktionen är också lovande, speciellt för att uppnå avancerade funktioner som spektralfiltrering, resonatorstrukturer och metasytor, " sa Dr Gao, den första författaren till uppsatsen och postdoktor från SUTD.

"Detta arbete visar potentialen hos additiv tillverkning för att göra avancerade fotoniska enheter med överlägsen 3D-design i hög upplösning, " tillade medförfattare Docent Low Hong Yee från SUTD.

I framtiden, förmågan att realisera högupplösta 3D-fotoniska strukturer kan skapa ännu fler framsteg i både form och funktion inom fotonik, inklusive avancerad optisk signalbehandling, avbildningstekniker och spektroskopiska system.