De opkomende diensten zoals cloudinterconnectiediensten voor datacenters, ultra-bandbreedte videodiensten, en 5G mobiele diensten stimuleren de snelle ontwikkeling van fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC), die kan voldoen aan de toenemende vraag naar communicatiesystemen voor internet.

Echter, PIC's worden tegenwoordig grotendeels gezien als vlakke structuren, in staat om licht in een enkel vlak te geleiden. Deze vlakheid ontstaat door de traditionele top-down fabricageprocessen.

Multiphoton-lithografie is een nieuwe en veelbelovende 3D-printtechnologie waarmee 3D-objecten gemakkelijker kunnen worden vervaardigd, vergeleken met de fabricage van 3D-objecten in conventionele fabricagemethoden van het cleanroomtype die worden gebruikt in de elektronica en opto-elektronica.

Met deze techniek, er is niet langer een beperking van de top-down blootstelling voor de realisatie van PIC's, aangezien het de functies ontsluit die door de derde dimensie worden benut. Gebruikmakend van concepten van additive manufacturing, 3-D multi-foton lithografie omvat het gebruik van een femtoseconde lichtbron om twee-foton polymerisatie te initiëren wanneer gefocust op een specifieke locatie in materiaal. Deze techniek werd gebruikt om de 3D-fotonische structuren met hoge resolutie te realiseren.

Onderzoekers van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) hebben 3D-golfgeleiders met hoge resolutie gedemonstreerd die de beperkingen van lichtopsluiting in een enkel vlak overstijgen. In de krant gepubliceerd in Geavanceerde optische materialen, Dr. Gao Hongwei, Universitair hoofddocent Dawn Tan en hun collega's van de Photonics Devices and Systems Group demonstreerden 3D-golfgeleiders met hoge resolutie die licht leiden in een spiraal- en luchtbrugconfiguratie (zie SEM-afbeeldingen hieronder).

Naast deze nieuwe apparaten, ze toonden ook 3D-golfgeleiderkoppelingen met zeer laag verlies, met 1,6dB glasvezel-golfgeleiderkoppelingsverliezen en een bandbreedte van meer dan 60nm van 3dB. Dit in tegenstelling tot de huidige industriestandaarden die een zeer arbeidsintensieve verpakking vereisen voor verliezen van rond de 1dB. Het onderzoeksteam toonde aan dat hun verliezen laag waren zonder dat er nabewerking of post-fabricage verpakking nodig was. De fabricage met hoge resolutie resulteerde ook in ringresonatoren met submicron-kenmerken.

"De gefabriceerde fotonische apparaten zijn een innovatieve vooruitgang op het gebied van fotonische geïntegreerde schakelingen. Belangrijk is dat we waren ook in staat om foutloze 30Gb/s NRZ- en 56Gb/s PAM4-gegevensoverdracht via deze golfgeleiders aan te tonen. Dit is belangrijk omdat deze hogesnelheidstestformaten en -snelheden in lijn zijn met die welke tegenwoordig worden gebruikt in commerciële zendontvangerproducten met directe detectie, ", legt hoofdonderzoeker Associate Professor Tan uit, die aan het hoofd staat van de groep fotonica-apparaten en -systemen bij SUTD.

Inderdaad, het team slaagde erin om slechts kleine vermogensstraffen van 0,7 dB af te leiden voor NRZ (bitfoutpercentage [BER] =10 ^-12 ) en 1,5 dB voor PAM4 (BER =10 ^-6 ) van de fotonische apparaten. Deze resultaten demonstreren met succes hoge snelheid, foutloze optische transmissie door de 3D gefabriceerde golfgeleiders. Dit toont ook de geschiktheid van de apparaten aan als verliesarme golfgeleiders en optische verbindingen.

"Belangrijk, de 3D-kwaliteit van deze golfgeleiders stelt ons in staat om de beperkingen van traditionele vlakke structuren te overschrijden. Op deze manier, het is mogelijk om PIC's met een veel hogere dichtheid te bereiken. De hoge resolutie, sub-micron functie-afmetingen zijn ook veelbelovend, vooral om geavanceerde functies zoals spectrale filtering te bereiken, resonatorstructuren en meta-oppervlakken, " zei dr. Gao, de eerste auteur van de paper en postdoctoraal onderzoeker van SUTD.

"Dit werk demonstreert het potentieel van additieve fabricage bij het maken van geavanceerde fotonische apparaten met superieure 3D-ontwerpen in hoge resolutie, " voegde co-auteur Associate Professor Low Hong Yee van SUTD toe.

In de toekomst, de mogelijkheid om 3D-fotonische structuren met hoge resolutie te realiseren, kan nog meer vooruitgang opleveren in zowel vorm als functie in fotonica, inclusief geavanceerde optische signaalverwerking, beeldvormingstechnieken en spectroscopische systemen.