Aan het Karlsruhe Institute of Technology (KIT), onderzoekers hebben een flexibel en efficiënt concept ontwikkeld om optische componenten te combineren in compacte systemen. Ze gebruiken een 3D-printproces met hoge resolutie om minuscule bundelvormende elementen rechtstreeks op optische microchips of vezels te produceren en, Vandaar, een verliesarme koppeling mogelijk maken. Deze aanpak vervangt gecompliceerde positioneringsprocessen die tegenwoordig een groot obstakel vormen voor veel toepassingen. De wetenschappers presenteren hun concept in Natuurfotonica .

Gezien het voortdurend groeiende dataverkeer, communicatie met licht wint aan belang. Al vele jaren, rekencentra en wereldwijde telecommunicatienetwerken maken gebruik van optische verbindingen voor de snelle en energiezuinige overdracht van grote hoeveelheden data. De huidige uitdaging in fotonica is om componenten te miniaturiseren en ze samen te voegen tot compacte en krachtige geïntegreerde systemen die geschikt zijn voor een verscheidenheid aan toepassingen, van informatie- en communicatietechnologieën tot meet- en sensortechnologieën, tot medische techniek.

In dit opzicht, hybride systemen zijn van zeer groot belang. Ze combineren een aantal optische componenten met verschillende functies. Hybride systemen bieden superieure prestaties en ontwerpvrijheid in vergelijking met monolithische integratieconcepten, waarbij alle componenten op een chip zijn gerealiseerd. Hybride integratie, bijvoorbeeld, maakt individuele optimalisatie en testen van alle componenten mogelijk voordat ze worden geassembleerd tot een complexer systeem. Opzetten van optische hybride systemen, echter, vereist complexe en dure methoden voor de zeer nauwkeurige uitlijning van componenten en verliesarme koppeling van optische interfaces.

Onderzoekers van het KIT hebben een nieuwe oplossing ontwikkeld voor het koppelen van optische microchips aan elkaar of aan optische vezels. Ze gebruiken kleine bundelvormende elementen die rechtstreeks op de facetten van optische componenten worden geprint door een zeer nauwkeurig 3D-printproces. Deze elementen kunnen met bijna elke driedimensionale vorm worden geproduceerd en maken een verliesarme koppeling van verschillende optische componenten met een hoge positioneringstolerantie mogelijk.

De onderzoekers valideerden hun concept in verschillende experimenten. Ze produceerden bundelvormende elementen van micrometerformaat met verschillende ontwerpen en testten ze op verschillende chip- en vezelfacetten. Zoals gerapporteerd door de wetenschappers in het tijdschrift Natuurfotonica , ze bereikten koppelingsefficiënties tot 88% tussen een indiumfosfidelaser en een optische vezel. De experimenten werden uitgevoerd bij het Institute of Microstructure Technology (IMT), het Instituut voor fotonica en kwantumelektronica (IPQ), en het Instituut voor Automatisering en Toegepaste Informatica (IAI) van het KIT, in samenwerking met het Fraunhofer Instituut voor Telecommunicatie (Heinrich Hertz Instituut, HHI) in Berlijn en IBM Research in Zürich. De technologie wordt momenteel door Vanguard Photonics overgedragen aan industriële toepassingen, een spin-off van KIT, in het kader van het PRIMA-project gefinancierd door het federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek.

Voor de productie van de driedimensionale elementen, gebruikten de onderzoekers multi-fotonlithografie:laag voor laag, een laser met een ultrakorte pulslengte schrijft de gegeven structuren in een fotoresist die tegelijkertijd uithardt. Op deze manier, 3D-structuren zo klein als een paar honderd nanometer kunnen worden afgedrukt. Behalve microlenzen, het proces is ook geschikt voor het produceren van andere vrije-vormelementen, zoals microspiegels, voor de gelijktijdige aanpassing van bundelvorm en voortplantingsrichting. In aanvulling, complete multilenssystemen voor bundeluitbreiding kunnen worden gefabriceerd. Met hen, positioneringstolerantie tijdens de montage van de componenten wordt verbeterd.

"Ons concept maakt de weg vrij voor geautomatiseerde en, Vandaar, kostenefficiënte productie van hoogwaardige en veelzijdige optische hybride systemen, " zegt professor Christian Koos, Hoofd IPQ en lid van de raad van bestuur van IMT en mede-oprichter van Vanguard Photonics. "Vandaar, het draagt ​​in wezen bij aan het benutten van het enorme potentieel van geïntegreerde optica in industriële toepassingen."