I ricercatori hanno sviluppato un nuovo modo per controllare e manipolare i segnali ottici incorporando uno strato di cristalli liquidi in guide d'onda create con la scrittura laser diretta. I nuovi dispositivi consentono il controllo elettro-ottico della polarizzazione, il che potrebbe aprire nuove possibilità per dispositivi basati su chip e circuiti fotonici complessi basati su guide d'onda scritte al femtosecondo.
"La scrittura laser delle guide d'onda e la modulazione elettro-ottica tramite cristalli liquidi non erano mai state combinate in questo modo prima", ha affermato Alessandro Alberucci dell'Università Friedrich Schiller di Jena in Germania. "La speranza è che questa tecnologia possa essere utilizzata per creare una nuova classe di dispositivi fotonici integrati in grado di elaborare grandi quantità di informazioni per data center e altre applicazioni ad alta intensità di dati."
Nella rivista Optical Materials Express , i ricercatori descrivono come hanno creato una piastra d'onda sintonizzabile all'interno di una guida d'onda di silice fusa. Quando viene applicata tensione al cristallo liquido, le sue molecole ruotano, modificando la polarizzazione della luce trasmessa attraverso la guida d'onda. Negli esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato la modulazione completa della polarizzazione ottica a due diverse lunghezze d'onda visibili.
"Il nostro lavoro apre la strada all'integrazione di nuovi tipi di funzioni ottiche nell'intero volume di un singolo chip di vetro, consentendo dispositivi integrati fotonici 3D compatti che prima non erano possibili", ha affermato Alberucci. "L'esclusiva natura 3D delle guide d'onda scritte al femtosecondo potrebbe essere utilizzata per creare nuovi modulatori spaziali di luce in cui ogni pixel è indirizzato separatamente da una guida d'onda. La tecnologia potrebbe anche trovare applicazione nella realizzazione sperimentale di dense reti neurali ottiche."
I laser a femtosecondi possono essere utilizzati per scrivere guide d'onda in profondità all'interno di un materiale, anziché solo sulla superficie come altri metodi, rendendolo un approccio promettente per massimizzare il numero di guide d'onda su un singolo chip. Questo approccio prevede la focalizzazione di un intenso raggio laser all'interno di un materiale trasparente. Quando l'intensità ottica è sufficientemente elevata, il raggio modifica il materiale sotto illuminazione, agendo così come una sorta di penna con precisione micrometrica.
"Lo svantaggio più importante dell'utilizzo della tecnologia di scrittura laser a femtosecondi per creare guide d'onda è la difficoltà nel modulare il segnale ottico in queste guide d'onda", ha affermato Alberucci. "Poiché una rete di comunicazione completa necessita di dispositivi in grado di controllare il segnale trasmesso, il nostro lavoro esplora nuove soluzioni per superare questa limitazione."
Nel nuovo articolo, i ricercatori hanno combinato due tecnologie fotoniche fondamentali incorporando uno strato di cristalli liquidi all’interno di una guida d’onda. Quando il raggio che si propaga all'interno della guida d'onda entra nello strato di cristalli liquidi, modifica la fase e la polarizzazione della luce quando viene applicato un campo elettrico. Il raggio modificato viaggia quindi attraverso la seconda sezione della guida d'onda in modo che si propaghi un raggio con proprietà modulate.
"L'ibridazione consente l'accesso ai vantaggi di entrambe le tecnologie nello stesso dispositivo:una grande concentrazione di luce dovuta all'effetto guida e un ampio grado di sintonizzabilità associato ai cristalli liquidi", ha affermato Alberucci. "Questa ricerca apre la strada all'utilizzo delle proprietà dei cristalli liquidi come modulatore nei dispositivi fotonici che hanno guide d'onda incorporate nel loro intero volume."
Sebbene la modulazione ottica nelle guide d’onda scritte al laser a femtosecondi sia stata precedentemente ottenuta riscaldando localmente la guida d’onda, l’uso di cristalli liquidi nel nuovo lavoro consente il controllo diretto della polarizzazione. "Il nostro approccio presenta numerosi vantaggi potenziali:minore consumo energetico, possibilità di gestire singole guide d'onda in blocco in modo indipendente e minore diafonia tra guide d'onda adiacenti", ha affermato Alberucci.
Per testare i dispositivi, i ricercatori hanno iniettato luce laser nella guida d’onda e poi hanno variato la tensione applicata allo strato di cristalli liquidi, che ha modulato la luce. La polarizzazione misurata in uscita variava come previsto dalla teoria. Hanno anche scoperto che l'integrazione del cristallo liquido con le guide d'onda lasciava invariate le proprietà di modulazione dei cristalli liquidi.
I ricercatori sottolineano che questo studio è solo una prova di concetto, quindi è necessario lavorare ancora prima che la tecnologia sia pronta per le applicazioni pratiche. Ad esempio, il dispositivo attuale modula ogni guida d'onda nello stesso modo, quindi stanno lavorando per ottenere un controllo indipendente di ciascuna guida d'onda.
Ulteriori informazioni: Kim Lammers et al, Controllo elettroottico della polarizzazione nelle guide d'onda scritte con laser a femtosecondi utilizzando una cella a cristalli liquidi incorporata, Optical Materials Express (2023). DOI:10.1364/OME.507230
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