Småskaliga optiska enheter som kan använda fotoner för höghastighetsinformationsbearbetning kan tillverkas med oöverträffad enkelhet och precision med hjälp av en additiv tillverkningsprocess utvecklad vid KAUST.

Fiberoptik tillverkas konventionellt genom att dra tunna filament ur smält kiselglas ner till mikroskala dimensioner. Genom att ingjuta dessa fibrer med långa smala ihåliga kanaler, en ny klass av optiska enheter som kallas "fotoniska kristallfibrer" introducerades. Det periodiska arrangemanget av lufthål i dessa fotoniska kristallfibrer fungerar som nästan perfekta speglar, tillåter infångning och lång fortplantning av ljus i deras centrala kärna.

"Fotoniska kristallfibrer tillåter dig att begränsa ljus i mycket trånga utrymmen, öka den optiska interaktionen, " förklarar Andrea Bertoncini, en postdoc som arbetar med Carlo Liberale. "Detta gör det möjligt för fibrerna att kraftigt minska utbredningsavståndet som behövs för att realisera speciella optiska funktioner, som polarisationskontroll eller våglängdsdelning."

Ett sätt som forskare använder för att ställa in de optiska egenskaperna hos fotoniska kristallfibrer är genom att variera deras tvärsnittsgeometri - att ändra storleken och formen på de ihåliga rören, eller arrangera dem i fraktala mönster. Vanligtvis, dessa mönster görs genom att ritningsprocessen utförs på uppskalade versioner av den slutliga fibern. Inte alla geometrier är möjliga med denna metod, dock, på grund av effekterna av krafter som gravitation och ytspänning.

För att övervinna sådana begränsningar, gruppen vände sig till en högprecisionsteknik för tredimensionell (3-D) utskrift. Att använda en laser för att omvandla ljuskänsliga polymerer till transparenta fasta ämnen, laget byggde upp fotoniska kristallfibrer lager för lager. Karakteriseringar avslöjade att denna teknik framgångsrikt kunde replikera det geometriska mönstret för flera typer av mikrostrukturerade optiska fibrer med högre hastigheter än konventionella tillverkningar.

Bertoncini förklarar att den nya processen också gör det enkelt att kombinera flera fotoniska enheter tillsammans. De demonstrerade detta tillvägagångssätt genom 3-D-utskrift av en serie fotoniska kristallfibersegment som delar upp polarisationskomponenterna i ljusstrålarna i separerade fiberkärnor. En specialtillverkad avsmalnande anslutning mellan stråldelaren och en konventionell fiberoptik säkerställde effektiv enhetsintegration.

"Fotoniska kristallfibrer erbjuder forskare en typ av "avstämningsratt" för att kontrollera ljusstyrande egenskaper genom geometrisk design, " säger Bertoncini. "Men, människor utnyttjade inte dessa egenskaper fullt ut på grund av svårigheterna att producera godtyckliga hålmönster med konventionella metoder. Det överraskande är att nu, med vårt förhållningssätt, du kan tillverka dem. Du designar 3D-modellen, du skriver ut det, och det är allt."