I servizi emergenti come i servizi di interconnessione cloud dei data center, servizi video a banda ultra larga, e i servizi mobili 5G stimolano il rapido sviluppo di circuiti integrati fotonici (PIC), in grado di soddisfare la crescente domanda di sistemi di comunicazione per internet.

Però, I PIC oggi sono in gran parte percepiti come strutture planari, in grado di guidare la luce su un unico piano. Questa planarità deriva dai tradizionali processi di fabbricazione top-down.

La litografia multifotonica è una nuova e promettente tecnologia di stampa 3D che consente di fabbricare più facilmente oggetti 3D, rispetto alla fabbricazione di oggetti 3D nei metodi convenzionali di fabbricazione di tipo camera bianca utilizzati nell'elettronica e nell'optoelettronica.

Con questa tecnica, non c'è più una restrizione dell'esposizione dall'alto verso il basso per la realizzazione di PIC in quanto sblocca le funzioni utilizzate dalla terza dimensione. Sfruttando i concetti di produzione additiva, La litografia multi-fotone 3-D prevede l'uso di una sorgente di luce a femtosecondi per avviare la polimerizzazione a due fotoni quando viene focalizzata su una posizione specifica nel materiale. Questa tecnica è stata utilizzata per realizzare le strutture fotoniche 3D ad alta risoluzione.

I ricercatori della Singapore University of Technology and Design (SUTD) hanno dimostrato guide d'onda 3D ad alta risoluzione che trascendono le restrizioni del confinamento della luce in un unico piano. Nel documento pubblicato in Materiali ottici avanzati, Dott. Gao Hongwei, La professoressa associata Dawn Tan e i suoi colleghi del Photonics Devices and Systems Group hanno dimostrato guide d'onda 3D ad alta risoluzione che guidano la luce in una configurazione a spirale e ponte aereo (fare riferimento alle immagini SEM di seguito).

Accanto a questi nuovi dispositivi, hanno anche dimostrato accoppiatori a guida d'onda 3D a perdita molto bassa con perdite di accoppiamento fibra-guida d'onda di 1,6 dB e larghezza di banda di 3 dB superiore a 60 nm. Ciò è in contrasto con gli attuali standard del settore che richiedono imballaggi ad alta intensità di manodopera per perdite di circa 1 dB. Il team di ricerca ha dimostrato che le loro perdite sono basse senza richiedere alcun imballaggio post-elaborazione o post-fabbricazione. La fabbricazione ad alta risoluzione ha portato anche a risonatori ad anello con dimensioni delle caratteristiche inferiori al micron.

"I dispositivi fotonici fabbricati sono un progresso innovativo nel dominio dei circuiti integrati fotonici. È importante sottolineare che siamo stati anche in grado di dimostrare la trasmissione di dati NRZ a 30 Gb/s e PAM4 a 56 Gb/s senza errori attraverso queste guide d'onda. Questo è importante perché questi formati e velocità di test ad alta velocità sono in linea con quelli utilizzati oggi nei prodotti commerciali di ricetrasmettitori a rilevamento diretto, ", ha spiegato il professore associato Tan, ricercatore principale, che dirige il gruppo di dispositivi e sistemi fotonici al SUTD.

Infatti, il team è riuscito a ricavare solo piccole penalità di potenza di 0,7 dB per NRZ (tasso di errore in bit [BER] =10 ^-12 ) e 1,5 dB per PAM4 (BER =10 ^-6 ) dai dispositivi fotonici. Questi risultati dimostrano con successo l'alta velocità, trasmissione ottica senza errori attraverso le guide d'onda fabbricate in 3D. Ciò mostra anche l'idoneità dei dispositivi come guide d'onda a bassa perdita e interconnessioni ottiche.

"È importante che la qualità 3D di queste guide d'onda ci permette di superare i limiti delle tradizionali strutture planari. In questo modo, è possibile ottenere PIC di densità molto più elevata. L'alta risoluzione, anche le dimensioni delle caratteristiche inferiori al micron sono promettenti, soprattutto per ottenere funzioni avanzate come il filtraggio spettrale, strutture risonanti e metasuperfici, " ha detto il dottor Gao, il primo autore dell'articolo e ricercatore post-dottorato di SUTD.

"Questo lavoro dimostra il potenziale della produzione additiva nella realizzazione di dispositivi fotonici avanzati con design 3D superiori in alta risoluzione, " ha aggiunto il co-autore Professore Associato Low Hong Yee di SUTD.

Nel futuro, la capacità di realizzare strutture fotoniche 3D ad alta risoluzione può creare ulteriori progressi sia nella forma che nella funzione nella fotonica, compresa l'elaborazione avanzata del segnale ottico, tecniche di imaging e sistemi spettroscopici.