Optische Wellen, die sich durch Luft oder Multimode-Fasern ausbreiten, können mithilfe orthogonaler räumlicher Modi strukturiert oder zerlegt werden. Dies bietet weitreichende Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Bildgebung, Kommunikation und gerichtete Energie. Die Systeme, die diese Wellenfrontmanipulationen durchführen, sind jedoch schwerfällig und groß, sodass ihre Nutzung auf High-End-Anwendungen beschränkt ist.
Die Entwicklung eines freistehenden Mikro-Photonik-Laternen-Raummodus-(De-)Multiplexers mittels 3D-Nanodruck stellt, wie eine aktuelle Studie zeigt, einen bedeutenden Fortschritt in der Photonik-Technologie dar. Dieser Raummultiplexer zeichnet sich durch seine Kompaktheit, minimalen Platzbedarf und die Möglichkeit aus, direkt auf photonische Schaltkreise, Glasfasern und optoelektronische Elemente wie Laser und Fotodetektoren zu drucken und darauf zu haften. Er eröffnet neue Möglichkeiten bei der Systemintegration und dem Einsatz der Technologie in zukünftigen Hochleistungskommunikationssystemen und anspruchsvollen Bildgebungsverfahren.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Licht: Wissenschaft und Anwendungen.
Die Studie des Doktoranden Yoav Dana, betreut von Professor Dan Marom und seinem Team am Institut für Angewandte Physik der Hebräischen Universität Jerusalem, in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern von Nokia Bell Labs, führte zur Entwicklung und Demonstration eines freistehenden Mikro-Photoniklaternen-Raummodus-(De-)Multiplexers. Die winzige Photoniklaterne wurde mithilfe einer 3D-Nanodrucktechnik hergestellt, bei der direktes Laserschreiben direkt auf eine Glasfaserspitze angewendet wurde.
Photonische Laternengeräte wandeln zwischen optischen Wellen, die eine Überlagerung von Modi oder verzerrte Wellenfronten enthalten, und einer Reihe von getrennten optischen Einzelmodussignalen um. Die Technologie ist ein vielversprechender Kandidat für die Ermöglichung von Raummultiplex (SDM) in zukünftigen optischen Kommunikationsnetzwerken mit hoher Kapazität sowie in der Bildgebung und anderen Anwendungen, die die räumliche Manipulation optischer Wellen erfordern.
Unter Ausnutzung der Möglichkeiten des 3D-Nanodrucks und der Verwendung von Wellenleitern mit hohem Kontrastindex haben die Forscher ein kompaktes und vielseitiges Gerät entwickelt, das mit hoher Genauigkeit und Wiedergabetreue auf nahezu jede feste Plattform gedruckt werden kann und sich nahtlos in eine Vielzahl technologischer Kontexte integrieren lässt. Das etwa 100 Mikrometer große Gerät steht in starkem Kontrast zu herkömmlichen photonischen Laternen, die auf schwach leitenden Wellenleitern mit einer Länge von Millimetern bis Zentimetern basieren, was die Integration in photonische Mikrosysteme sehr anspruchsvoll macht.
„Die Entwicklung dieses freistehenden Mikro-Photoniklaternen-Raummodus-(De-)Multiplexers stellt einen bedeutenden Fortschritt in unserer Fähigkeit dar, Raummultiplexing für verschiedene optische Systeme und Anwendungen zu ermöglichen und anzuwenden“, sagte Professor Dan Marom. „Dieser Durchbruch macht die Raummultiplextechnologie viel zugänglicher und integrierbarer und eröffnet neue Möglichkeiten für optische Kommunikations- und Bildgebungsanwendungen, um nur einige zu nennen.“
Die Forscher haben das Gerätedesign unter Verwendung genetischer Algorithmen, die Herstellung auf einer Faserspitze und die Charakterisierung einer 375 µm langen photonischen Laterne mit Sechs-Mode-Mischung vorgestellt, die in der Lage ist, zwischen sechs Single-Mode-Eingängen in einen einzigen Sechs-Mode-Wellenleiter umzuwandeln. Trotz seiner kompakten Größe weist das Gerät geringe Einfügungsverluste (-2,6 dB), geringe Wellenlängenempfindlichkeit und geringe polarisations- und modenabhängige Verluste (-0,2 dB bzw. -4,4 dB) auf.
Mehr Informationen:
Yoav Dana et al., Freistehender mikroskaliger photonischer Laternen-Raummodus-(De-)Multiplexer, hergestellt mittels 3D-Nanodruck, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01466-6