3D纳米印刷有利于光通信

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在卡尔斯鲁厄技术学院(KIT),研究人员已经开发出一种灵活和高效的概念,将光学组件结合在紧凑的系统中。他们使用高分辨率3D打印过程来直接在光学微芯片或光纤上产生微小的光束整形元件,从而实现低损耗耦合。这种方法取代了复杂的定位过程,代表了许多应用的高障碍今天。

图像说明:微纤镜和微镜可以通过3D纳米印刷在光纤和微芯片上产生。这大大促进了光子系统的组装。(图:Philipp Immanuel Dietrich / Florian Rupp / Paul Abaffy,KIT)

鉴于不断增长的数据通信量,光通信越来越重要。多年来,计算中心和全球电信网络一直使用光连接来快速和高效地传输大量数据。光子学目前面临的挑战是将组件小型化,并将其组装成适合于各种应用的紧凑和高性能的集成系统,从信息和通信技术到测量和传感器技术,到医学工程。

在这方面,混合系统是非常高的兴趣。它们结合了许多具有不同功能的光学元件。与单片集成概念相比,混合系统提供了优越的性能和设计自由度,所有组件都是在芯片上实现的。混合集成,例如,允许个别优化和测试所有组件之前,他们被组装到一个更复杂的系统。然而,光学混合系统的设置需要复杂且昂贵的方法来实现元件的高精度对准和光学接口的低损耗耦合。

KIT的研究人员已经开发出一种新的解决方案,用于将光学微芯片彼此耦合或光纤耦合。它们使用微小的光束整形元件,通过高精度3D打印过程直接打印到光学元件的面上。这些元件可以以几乎任何三维形状产生,并且能够实现具有高定位公差的各种光学元件的低损耗耦合。

研究人员在几个实验中证实了他们的观点。他们生产微米尺寸的各种形状的光束整形元件,并在各种芯片和光纤刻面上测试它们。科学家在《自然光子学》杂志上报道,它们在磷化铟激光器和光纤之间达到了88%的耦合效率。该实验是在微观结构技术研究所(IMT)、光子学与量子电子学(IPQ)、自动化与应用信息研究所(IAI)与FrunHoffe电信研究所(Heinrich Hertz)合作完成的。研究所,HHI)在柏林和IBM在苏黎世的研究。这项技术目前正被VangalEngopy公司转移到工业应用,这是在联邦教育和科研部资助的PRIMA项目下,KIT的一个分支。

为了生产三维元件,研究人员使用多光子光刻:逐层地,一个具有超短脉冲长度的激光器将给定的结构写入一个同时硬化的光致抗蚀剂。这样,可以打印出几百纳米的三维结构。除了微透镜之外,该工艺还适合于生产其他自由形状的元件,例如微镜,用于同时适应光束形状和传播方向。此外,可以制造用于光束扩展的完整多透镜系统。与之相适应的是,在组件装配过程中的定位公差得到加强。

“我们的理念铺平了道路,从而实现高性能和多功能的光学混合系统的自动化,因此,成本效益高的制造,”Christian Koos教授说,IQ的负责人和IMT的董事会成员,以及先锋集团光子学的联合创始人。因此,它本质上有助于利用集成光学在工业应用中的巨大潜力。

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