Forskare har utvecklat ett nytt sätt att kontrollera och manipulera optiska signaler genom att bädda in ett flytande kristallskikt i vågledare skapade med direkt laserskrivning. De nya enheterna möjliggör elektro-optisk kontroll av polarisation, vilket kan öppna nya möjligheter för chipbaserade enheter och komplexa fotoniska kretsar baserade på femtosekundskrivna vågledare.
"Laserskrivning av vågledare och elektrooptisk modulering via flytande kristaller har inte kombinerats på detta sätt tidigare", säger Alessandro Alberucci från Friedrich Schiller University Jena i Tyskland. "Förhoppningen är att den här tekniken kan användas för att skapa en ny klass av integrerade fotoniska enheter som kan bearbeta stora mängder information för datacenter och andra dataintensiva applikationer."
I tidskriften Optical Materials Express , beskriver forskarna hur de skapade en avstämbar vågplatta inuti en vågledare av smält kiseldioxid. När spänning appliceras på den flytande kristallen roterar dess molekyler, vilket ändrar polariseringen av ljus som sänds genom vågledaren. I experiment visade forskarna full modulering av optisk polarisation vid två olika synliga våglängder.
"Vårt arbete banar väg för att integrera nya typer av optiska funktioner i hela volymen av ett enda glaschip, vilket möjliggör kompakta 3D-fotoniska integrerade enheter som inte var möjliga tidigare", säger Alberucci. "Den unika 3D-karaktären hos femtosekundskrivna vågledare skulle kunna användas för att skapa nya rumsliga ljusmodulatorer där varje pixel adresseras separat av en vågledare. Tekniken kan också hitta tillämpning i experimentell realisering av täta optiska neurala nätverk."
Femtosekundlasrar kan användas för att skriva vågledare djupt inuti ett material - i motsats till bara på ytan som andra metoder - vilket gör det till ett lovande tillvägagångssätt för att maximera antalet vågledare på ett enda chip. Detta tillvägagångssätt innebär att fokusera en intensiv laserstråle inuti ett transparent material. När den optiska intensiteten är tillräckligt hög, modifierar strålen materialet under belysning och fungerar som en sorts penna med mikrometerprecision.
"Den viktigaste bristen med att använda femtosekund laserskrivteknik för att skapa vågledare är svårigheten att modulera den optiska signalen i dessa vågledare", säger Alberucci. "Eftersom ett komplett kommunikationsnätverk behöver enheter som kan styra den överförda signalen, utforskar vårt arbete nya lösningar för att övervinna denna begränsning."
I den nya artikeln kombinerade forskarna två grundläggande fotoniska teknologier genom att bädda in ett lager av flytande kristaller i en vågledare. När strålen som utbreder sig inuti vågledaren kommer in i flytande kristallskiktet, modifierar den ljusets fas och polarisering när ett elektriskt fält appliceras. Den modifierade strålen färdas sedan genom den andra sektionen av vågledaren så att en stråle med modulerade egenskaper fortplantar sig.
"Hybridiseringen tillåter tillgång till fördelarna med båda teknologierna i samma enhet:en stor koncentration av ljus på grund av den styrande effekten och en stor grad av avstämning som är förknippad med flytande kristaller", säger Alberucci. "Denna forskning leder vägen till att använda flytande kristallegenskaper som en modulator i fotoniska enheter som har vågledare inbäddade i hela sin volym."
Även om optisk modulering i femtosekundlaserskrivna vågledare tidigare har uppnåtts genom lokal uppvärmning av vågledaren, tillåter användningen av flytande kristaller i det nya verket direkt kontroll av polarisationen. "Vårt tillvägagångssätt har flera potentiella fördelar:lägre strömförbrukning, möjligheten att adressera enskilda vågledare i bulken oberoende och mindre överhörning mellan intilliggande vågledare", säger Alberucci.
För att testa enheterna injicerade forskarna laserljus i vågledaren och varierade sedan spänningen som applicerades på det flytande kristallskiktet, vilket modulerade ljuset. Den uppmätta polarisationen vid utgången varierade enligt teorin. De fann också att integrationen av den flytande kristallen med vågledarna lämnade modulationsegenskaperna hos de flytande kristallerna oförändrade.
Forskarna påpekar att denna studie bara är ett proof of concept, så mer arbete måste göras innan tekniken är redo för praktiska tillämpningar. Till exempel modulerar den aktuella enheten varje vågledare på samma sätt, så de arbetar för att uppnå oberoende kontroll av varje vågledare.
Mer information: Kim Lammers et al, Elektrooptisk kontroll av polarisation i femtosekundlaserskrivna vågledare med hjälp av en inbäddad flytande kristallcell, Optical Materials Express (2023). DOI:10.1364/OME.507230
Tillhandahålls av Optica
