Kleinschalige optische apparaten die fotonen kunnen gebruiken voor snelle informatieverwerking, kunnen met ongekend gemak en precisie worden gefabriceerd met behulp van een additief fabricageproces dat is ontwikkeld bij KAUST.

Vezeloptica wordt conventioneel geproduceerd door dunne filamenten uit gesmolten silicaglas te trekken tot op microschaaldimensies. Door deze vezels te voorzien van lange smalle holle kanalen, een nieuwe klasse van optische apparaten genaamd "fotonische kristalvezels" werden geïntroduceerd. De periodieke rangschikking van luchtgaten in deze fotonische kristalvezels werkt als bijna perfecte spiegels, waardoor vangen en lange voortplanting van licht in hun centrale kern.

"Met fotonische kristalvezels kun je licht opsluiten in zeer krappe ruimtes, het vergroten van de optische interactie, " legt Andrea Bertoncini uit, een postdoc die samenwerkt met Carlo Liberale. "Hierdoor kunnen de vezels de voortplantingsafstand die nodig is om bepaalde optische functies te realiseren enorm verkleinen, zoals polarisatiecontrole of golflengtesplitsing."

Een manier die onderzoekers gebruiken om de optische eigenschappen van fotonische kristalvezels af te stemmen, is door hun dwarsdoorsnedegeometrie te variëren - de grootte en vorm van de holle buizen veranderen, of ze rangschikken in fractal-ontwerpen. Typisch, deze patronen worden gemaakt door het tekenproces uit te voeren op opgeschaalde versies van de uiteindelijke vezel. Niet alle geometrieën zijn mogelijk met deze methode, echter, door de effecten van krachten zoals zwaartekracht en oppervlaktespanning.

Om dergelijke beperkingen te overwinnen, de groep wendde zich tot een uiterst nauwkeurige driedimensionale (3-D) printtechnologie. Een laser gebruiken om lichtgevoelige polymeren om te zetten in transparante vaste stoffen, het team bouwde laag voor laag fotonische kristalvezels op. Karakteriseringen onthulden dat deze techniek met succes het geometrische patroon van verschillende soorten microgestructureerde optische vezels kon repliceren met hogere snelheden dan conventionele fabricages.

Bertoncini legt uit dat het nieuwe proces het ook gemakkelijk maakt om meerdere fotonische eenheden met elkaar te combineren. Ze demonstreerden deze benadering door 3D-printen van een reeks fotonische kristalvezelsegmenten die de polarisatiecomponenten van lichtstralen in gescheiden vezelkernen splitsen. Een op maat gemaakte taps toelopende verbinding tussen de bundelsplitser en een conventionele glasvezel zorgde voor een efficiënte apparaatintegratie.

"Fotonische kristalvezels bieden wetenschappers een soort 'afstemknop' om lichtgeleidende eigenschappen te regelen door middel van geometrisch ontwerp, " zegt Bertoncini. "Echter, mensen maakten geen volledig gebruik van deze eigenschappen vanwege de moeilijkheden om willekeurige gatenpatronen te produceren met conventionele methoden. Het verrassende is dat nu, met onze aanpak, je kunt ze fabriceren. Je ontwerpt het 3D-model, je drukt het af, en dat is het."