No Karlsruhe Institute of Technology (KIT), pesquisadores desenvolveram um conceito flexível e eficiente para combinar componentes ópticos em sistemas compactos. Eles usam um processo de impressão 3-D de alta resolução para produzir pequenos elementos de formação de feixe diretamente em microchips ópticos ou fibras e, portanto, habilitar o acoplamento de baixa perda. Essa abordagem substitui processos de posicionamento complicados que representam um grande obstáculo para muitas aplicações hoje. Os cientistas apresentam seu conceito em Nature Photonics .

Em vista do tráfego de dados em constante crescimento, a comunicação com a luz está ganhando importância. Por muitos anos agora, centros de computação e redes de telecomunicações em todo o mundo têm usado conexões ópticas para a transmissão rápida e eficiente de energia de grandes quantidades de dados. O desafio atual em fotônica é miniaturizar componentes e montá-los em sistemas integrados compactos e de alto desempenho adequados para uma variedade de aplicações, de tecnologias de informação e comunicação a tecnologias de medição e sensores, à engenharia médica.

A este respeito, sistemas híbridos são de grande interesse. Eles combinam vários componentes ópticos com funções diferentes. Os sistemas híbridos oferecem desempenho superior e liberdade de design em comparação com os conceitos de integração monolítica, para o qual todos os componentes são realizados em um chip. Integração híbrida, por exemplo, permite a otimização e teste individual de todos os componentes antes de serem montados em um sistema mais complexo. Configuração de sistemas híbridos ópticos, Contudo, requer métodos complexos e caros para o alinhamento altamente preciso de componentes e acoplamento de baixa perda de interfaces ópticas.

Pesquisadores do KIT desenvolveram uma nova solução para o acoplamento de microchips ópticos entre si ou com fibras ópticas. Eles usam pequenos elementos de formação de feixe que são impressos diretamente nas facetas dos componentes ópticos por um processo de impressão 3-D de alta precisão. Esses elementos podem ser produzidos com quase qualquer formato tridimensional e permitem o acoplamento de baixa perda de vários componentes ópticos com uma alta tolerância de posicionamento.

Os pesquisadores validaram seu conceito em vários experimentos. Eles produziram elementos de formato de feixe do tamanho de um micrômetro de vários designs e os testaram em uma variedade de facetas de chip e fibra. Conforme relatado pelos cientistas na revista Nature Photonics , eles alcançaram eficiências de acoplamento de até 88% entre um laser de fosfeto de índio e uma fibra óptica. Os experimentos foram realizados no Instituto de Tecnologia de Microestrutura (IMT), o Instituto de Fotônica e Eletrônica Quântica (IPQ), e o Instituto de Automação e Informática Aplicada (IAI) do KIT, em cooperação com o Fraunhofer Institute for Telecommunications (Heinrich Hertz Institute, HHI) em Berlim e IBM Research em Zurique. A tecnologia está sendo atualmente transferida para aplicação industrial pela Vanguard Photonics, um spinoff do KIT, no âmbito do projeto PRIMA financiado pelo Ministério Federal da Educação e Pesquisa.

Para a produção dos elementos tridimensionais, os pesquisadores usaram litografia multi-fótons:camada por camada, um laser com comprimento de pulso ultracurto grava as estruturas fornecidas em um fotorresiste que endurece simultaneamente. Desta maneira, Estruturas 3-D tão pequenas quanto algumas centenas de nanômetros podem ser impressas. Além das microlentes, o processo também é adequado para a produção de outros elementos de forma livre, como micro-espelhos, para a adaptação simultânea da forma do feixe e direção de propagação. Além disso, sistemas completos de múltiplas lentes para expansão do feixe podem ser fabricados. Com eles, a tolerância de posicionamento durante a montagem dos componentes é aprimorada.

"Nosso conceito abre caminho para a automação e, portanto, fabricação econômica de sistemas híbridos ópticos versáteis e de alto desempenho, "diz o professor Christian Koos, Chefe do IPQ e membro do Conselho de Administração da IMT, bem como cofundador da Vanguard Photonics. "Portanto, essencialmente contribui para o uso do vasto potencial da óptica integrada em aplicações industriais. "