Os pesquisadores desenvolveram uma nova maneira de controlar e manipular sinais ópticos, incorporando uma camada de cristal líquido em guias de onda criados com escrita direta a laser. Os novos dispositivos permitem o controle eletro-óptico da polarização, o que poderia abrir novas possibilidades para dispositivos baseados em chips e circuitos fotônicos complexos baseados em guias de onda escritos em femtossegundos.



"A escrita a laser de guias de onda e a modulação eletro-óptica através de cristais líquidos nunca foram combinadas desta forma antes", disse Alessandro Alberucci, da Universidade Friedrich Schiller de Jena, na Alemanha. “A esperança é que esta tecnologia possa ser usada para criar uma nova classe de dispositivos fotônicos integrados que possam processar grandes quantidades de informações para data centers e outras aplicações com uso intensivo de dados”.

Na revista Optical Materials Express , os pesquisadores descrevem como criaram uma placa de onda sintonizável dentro de um guia de ondas de sílica fundida. Quando a voltagem é aplicada ao cristal líquido, suas moléculas giram, o que altera a polarização da luz transmitida através do guia de ondas. Em experimentos, os pesquisadores demonstraram modulação completa da polarização óptica em dois comprimentos de onda visíveis diferentes.

“Nosso trabalho abre caminho para a integração de novos tipos de funções ópticas em todo o volume de um único chip de vidro, permitindo dispositivos fotônicos integrados 3D compactos que não eram possíveis anteriormente”, disse Alberucci. "A natureza 3D única dos guias de ondas escritos em femtossegundos poderia ser usada para criar novos moduladores de luz espacial onde cada pixel é endereçado separadamente por um guia de ondas. A tecnologia também poderia encontrar aplicação na realização experimental de redes neurais ópticas densas."

Reunindo duas tecnologias-chave

Os lasers de femtosegundo podem ser usados ​​para escrever guias de ondas nas profundezas de um material – em vez de apenas na superfície como outros métodos – tornando-os uma abordagem promissora para maximizar o número de guias de ondas em um único chip. Esta abordagem envolve focar um feixe de laser intenso dentro de um material transparente. Quando a intensidade óptica é alta o suficiente, o feixe modifica o material sob iluminação, agindo como uma espécie de caneta com precisão micrométrica.

“A deficiência mais importante do uso da tecnologia de escrita a laser de femtossegundos para criar guias de ondas é a dificuldade de modular o sinal óptico nesses guias de ondas”, disse Alberucci. “Como uma rede de comunicação completa necessita de dispositivos capazes de controlar o sinal transmitido, nosso trabalho explora novas soluções para superar esta limitação.”

No novo artigo, os pesquisadores combinaram duas tecnologias fotônicas fundamentais incorporando uma camada de cristal líquido dentro de um guia de ondas. Quando o feixe que se propaga dentro do guia de ondas entra na camada de cristal líquido, ele modifica a fase e a polarização da luz quando um campo elétrico é aplicado. O feixe modificado então viaja através da segunda seção do guia de ondas de modo que um feixe com propriedades moduladas se propague.

“A hibridização permite acessar as vantagens de ambas as tecnologias no mesmo dispositivo:grande concentração de luz devido ao efeito guia e grande grau de sintonia associado aos cristais líquidos”, disse Alberucci. “Esta pesquisa abre caminho para o uso das propriedades do cristal líquido como modulador em dispositivos fotônicos que possuem guias de onda embutidos em todo o seu volume.”

Benefícios da abordagem híbrida

Embora a modulação óptica em guias de ondas escritos a laser de femtossegundos tenha sido alcançada anteriormente pelo aquecimento local do guia de ondas, o uso de cristais líquidos no novo trabalho permite o controle direto da polarização. "Nossa abordagem tem várias vantagens potenciais:menor consumo de energia, a possibilidade de endereçar guias de ondas individuais em massa de forma independente e menos diafonia entre guias de ondas adjacentes", disse Alberucci.

Para testar os dispositivos, os pesquisadores injetaram luz laser no guia de ondas e depois variaram a voltagem aplicada à camada de cristal líquido, que modulava a luz. A polarização medida na saída variou conforme previsto pela teoria. Eles também descobriram que a integração do cristal líquido com os guias de onda deixava inalteradas as propriedades de modulação dos cristais líquidos.

Os pesquisadores ressaltam que este estudo é apenas uma prova de conceito, portanto, mais trabalho precisa ser feito antes que a tecnologia esteja pronta para aplicações práticas. Por exemplo, o dispositivo atual modula cada guia de onda da mesma maneira, de modo que eles trabalham para obter controle independente de cada guia de onda.

Mais informações: Kim Lammers et al, Controle eletro-óptico de polarização em guias de onda escritos a laser de femtossegundos usando uma célula de cristal líquido incorporada, Optical Materials Express (2023). DOI:10.1364/OME.507230
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