Al Karlsruhe Institute of Technology (KIT), i ricercatori hanno sviluppato un concetto flessibile ed efficiente per combinare componenti ottici in sistemi compatti. Usano un processo di stampa 3D ad alta risoluzione per produrre minuscoli elementi che modellano il raggio direttamente su microchip o fibre ottici e, quindi, consentire l'accoppiamento a bassa perdita. Questo approccio sostituisce i complicati processi di posizionamento che rappresentano oggi un grande ostacolo per molte applicazioni. Gli scienziati presentano il loro concetto in Fotonica della natura .

In considerazione di un traffico dati in costante crescita, la comunicazione con la luce sta acquisendo importanza. Da molti anni ormai, i centri di calcolo e le reti di telecomunicazioni mondiali utilizzano connessioni ottiche per la trasmissione rapida ed efficiente di grandi quantità di dati. La sfida attuale nella fotonica è miniaturizzare i componenti e assemblarli in sistemi integrati compatti e ad alte prestazioni adatti a una varietà di applicazioni, dalle tecnologie dell'informazione e della comunicazione alle tecnologie di misurazione e sensoristica, all'ingegneria medica.

Nel rispetto, i sistemi ibridi sono di grande interesse. Combinano una serie di componenti ottici con funzioni diverse. I sistemi ibridi offrono prestazioni superiori e libertà di progettazione rispetto ai concetti di integrazione monolitica, per cui tutti i componenti sono realizzati su un chip. Integrazione ibrida, ad esempio, consente l'ottimizzazione individuale e il test di tutti i componenti prima che vengano assemblati in un sistema più complesso. Installazione di sistemi ottici ibridi, però, richiede metodi complessi e costosi per l'allineamento altamente preciso dei componenti e l'accoppiamento a bassa perdita delle interfacce ottiche.

I ricercatori di KIT hanno così sviluppato una nuova soluzione per l'accoppiamento di microchip ottici tra loro oa fibre ottiche. Usano minuscoli elementi che modellano il raggio che vengono stampati direttamente sulle sfaccettature dei componenti ottici mediante un processo di stampa 3D ad alta precisione. Questi elementi possono essere prodotti con quasi tutte le forme tridimensionali e consentono l'accoppiamento a basse perdite di vari componenti ottici con un'elevata tolleranza di posizionamento.

I ricercatori hanno convalidato il loro concetto in diversi esperimenti. Hanno prodotto elementi di formatura del fascio di dimensioni micrometriche di vari design e li hanno testati su una varietà di sfaccettature di chip e fibre. Come riportato dagli scienziati sulla rivista Fotonica della natura , hanno raggiunto efficienze di accoppiamento fino all'88% tra un laser al fosfuro di indio e una fibra ottica. Gli esperimenti sono stati condotti presso l'Institute of Microstructure Technology (IMT), l'Istituto di Fotonica ed Elettronica Quantistica (IPQ), e l'Istituto per l'automazione e l'informatica applicata (IAI) di KIT, in collaborazione con il Fraunhofer Institute for Telecommunications (Heinrich Hertz Institute, HHI) a Berlino e IBM Research a Zurigo. La tecnologia viene attualmente trasferita all'applicazione industriale da Vanguard Photonics, uno spin-off di KIT, nell'ambito del progetto PRIMA finanziato dal Ministero Federale dell'Istruzione e della Ricerca.

Per la produzione degli elementi tridimensionali, i ricercatori hanno utilizzato la litografia multi-fotone:strato per strato, un laser con una lunghezza di impulso ultracorta scrive le strutture date in un fotoresist che si indurisce simultaneamente. In questo modo, È possibile stampare strutture 3D di poche centinaia di nanometri. Oltre alle microlenti, il processo è adatto anche per la produzione di altri elementi a forma libera, come microspecchi, per l'adattamento simultaneo della forma del fascio e della direzione di propagazione. Inoltre, possono essere fabbricati sistemi multi-lente completi per l'espansione del raggio. Con loro, la tolleranza di posizionamento durante l'assemblaggio dei componenti è migliorata.

"Il nostro concetto apre la strada all'automazione e, quindi, produzione economica di sistemi ibridi ottici versatili e ad alte prestazioni, "dice il professor Christian Koos, Responsabile di IPQ e membro del consiglio di amministrazione di IMT nonché co-fondatore di Vanguard Photonics. "Quindi, contribuisce essenzialmente a sfruttare le vaste potenzialità dell'ottica integrata nelle applicazioni industriali."