I dispositivi ottici su piccola scala in grado di utilizzare i fotoni per l'elaborazione delle informazioni ad alta velocità possono essere fabbricati con una facilità e una precisione senza precedenti utilizzando un processo di produzione additivo sviluppato presso KAUST.

Le fibre ottiche sono prodotte convenzionalmente estraendo sottili filamenti dal vetro di silice fuso fino a dimensioni su microscala. Infondendo queste fibre con canali cavi lunghi e stretti, è stata introdotta una nuova classe di dispositivi ottici denominati "fibre a cristalli fotonici". La disposizione periodica dei fori d'aria in queste fibre di cristalli fotonici agisce come specchi quasi perfetti, consentendo l'intrappolamento e la lunga propagazione della luce nel loro nucleo centrale.

"Le fibre di cristalli fotonici consentono di confinare la luce in spazi molto ristretti, aumentando l'interazione ottica, " spiega Andrea Bertoncini, un postdoc che lavora con Carlo Liberale. "Ciò consente alle fibre di ridurre enormemente la distanza di propagazione necessaria per realizzare particolari funzioni ottiche, come il controllo della polarizzazione o la suddivisione della lunghezza d'onda."

Un modo che i ricercatori usano per mettere a punto le proprietà ottiche delle fibre di cristalli fotonici è variando la loro geometria della sezione trasversale, cambiando le dimensioni e la forma dei tubi cavi, o organizzandoli in disegni frattali. Tipicamente, questi modelli sono realizzati eseguendo il processo di trafilatura su versioni in scala della fibra finale. Non tutte le geometrie sono possibili con questo metodo, però, a causa degli effetti di forze quali gravità e tensione superficiale.

Per superare tali limiti, il gruppo si è rivolto a una tecnologia di stampa tridimensionale (3D) ad alta precisione. Utilizzando un laser per trasformare polimeri fotosensibili in solidi trasparenti, il team ha costruito fibre di cristalli fotonici strato per strato. Le caratterizzazioni hanno rivelato che questa tecnica potrebbe replicare con successo il modello geometrico di diversi tipi di fibre ottiche microstrutturate a velocità più elevate rispetto alle realizzazioni convenzionali.

Bertoncini spiega che il nuovo processo semplifica anche la combinazione di più unità fotoniche. Hanno dimostrato questo approccio stampando in 3D una serie di segmenti di fibre di cristalli fotonici che dividono i componenti di polarizzazione dei raggi di luce in nuclei di fibre separati. Una connessione conica realizzata su misura tra il divisore di fascio e una fibra ottica convenzionale ha garantito un'integrazione efficiente del dispositivo.

"Le fibre di cristalli fotonici offrono agli scienziati un tipo di "manopola di sintonizzazione" per controllare le proprietà di guida della luce attraverso il design geometrico, "dice Bertoncini. "Tuttavia, le persone non sfruttavano appieno queste proprietà a causa delle difficoltà di produrre schemi di fori arbitrari con i metodi convenzionali. La cosa sorprendente è che ora, con il nostro approccio, puoi fabbricarli. Progetta il modello 3D, lo stampi, e basta."