La nueva linterna fotónica a microescala impresa en 3D: multiplexación en modo espacial

Noticias by AmigosHUJI
Las ondas ópticas que se propagan a través del aire o de la fibra multimodo pueden modelarse o descomponerse utilizando modos espaciales ortogonales, con aplicaciones de gran alcance en la obtención de imágenes, la comunicación y la energía dirigida. Sin embargo, los sistemas que realizan estas manipulaciones de frente de onda son engorrosos y grandes, lo que restringe su utilización a aplicaciones de alta gama. El desarrollo de un multiplexor independiente de modo espacial de linterna fotónica a microescala mediante nanoimpresión 3D, según revela un estudio reciente, marca un avance significativo en la tecnología fotónic.

Un nuevo estudio realizado por el estudiante de doctorado Yoav Dana, supervisado por el profesor Dan Marom y su equipo en el Instituto de Física Aplicada de la Universidad Hebrea de Jerusalem, en colaboración con científicos de Nokia Bell Labs, dio como resultado el desarrollo y la demostración de un multiplexor independiente de modo espacial de linterna fotónica a microescala. La diminuta linterna fotónica se fabricó mediante una técnica de nanoimpresión 3D que utiliza escritura láser directa, aplicada directamente sobre una punta de fibra óptica.

Los dispositivos de linterna fotónica se convierten entre ondas ópticas que contienen una superposición de modos o frentes de onda distorsionados y una matriz de señales ópticas monomodo separadas. La tecnología se destaca como un competidor prometedor para permitir la multiplexación por división espacial (SDM) en futuras redes de comunicaciones ópticas de alta capacidad, así como en imágenes y otras aplicaciones que requieren la manipulación espacial de ondas ópticas.

Multiplexor de modo linterna fotónica nanoimpresa en 3D. Se demuestra una diminuta linterna fotónica nanoimpresa en 3D que admite la multiplexación de seis fuentes de entrada a una fibra óptica de seis modos, con una longitud total de 375 μm, que exhibe una baja inserción, polarización y pérdida dependiente del modo. | Crédito: Yoav Dana
Multiplexor de modo linterna fotónica nanoimpresa en 3D. Se demuestra una diminuta linterna fotónica nanoimpresa en 3D que admite la multiplexación de seis fuentes de entrada a una fibra óptica de seis modos, con una longitud total de 375 μm, que exhibe una baja inserción, polarización y pérdida dependiente del modo. | Crédito: Yoav Dana

Aprovechando las capacidades de la nanoimpresión 3D y empleando guías de ondas de contraste de alto índice, los investigadores han desarrollado un dispositivo compacto y versátil que se puede imprimir en casi cualquier plataforma sólida con precisión y alta fidelidad, lo que permite su perfecta integración en una variedad de contextos tecnológicos. El dispositivo de escala de ~ 100 micrómetros contrasta en gran medida con las linternas fotónicas tradicionales basadas en guías de onda de guía débil que tienen milímetros de largo, lo que hace que la integración con sistemas fotónicos a microescala sea muy desafiante.

“El desarrollo de este multiplexor de modo espacial (de) multiplexor de linterna fotónica de microescala independiente representa un avance significativo en nuestra capacidad para permitir y adoptar la multiplexación espacial para diversos sistemas y aplicaciones ópticas”, dijo el profesor Dan Marom. “Este avance hace que la tecnología de multiplexación por división espacial sea mucho más accesible y susceptible de integración, abriendo nuevas posibilidades para la comunicación óptica y las aplicaciones de imágenes, por nombrar algunas”.

La linterna fotónica está diseñada para convertir sin pérdidas entre fuentes ópticas y modos mediante la optimización de la estructura de guía de ondas convergentes mediante algoritmos de aprendizaje adaptativo y simulaciones ópticas. A continuación, la estructura se imprime en una fuente de fibra multinúcleo utilizando técnicas de escritura láser directa y polimerización de dos fotones. Izquierda: Vista de la punta de la férula de cerámica con fibra multinúcleo incrustada, con una linterna fotónica impresa en 3D de 300 micras de altura en la punta. Derecha: Vista microscópica ampliada de la linterna fotónica.
La linterna fotónica está diseñada para convertir sin pérdidas entre fuentes ópticas y modos mediante la optimización de la estructura de guía de ondas convergentes mediante algoritmos de aprendizaje adaptativo y simulaciones ópticas. A continuación, la estructura se imprime en una fuente de fibra multinúcleo utilizando técnicas de escritura láser directa y polimerización de dos fotones. Izquierda: Vista de la punta de la férula de cerámica con fibra multinúcleo incrustada, con una linterna fotónica impresa en 3D de 300 micras de altura en la punta. Derecha: Vista microscópica ampliada de la linterna fotónica.
Imagen de la punta del conector de fibra, con una linterna fotónica diminuta impresa directamente en la faceta de la fibra.
Imagen de la punta del conector de fibra, con una linterna fotónica diminuta impresa directamente en la faceta de la fibra.
Vista microscópica de una linterna fotónica nanoimpresa en 3D, con una altura total de 375mm y características espaciales en el rango de 1 mm.
Vista microscópica de una linterna fotónica nanoimpresa en 3D, con una altura total de 375mm y características espaciales en el rango de 1 mm.

Los investigadores han presentado el diseño del dispositivo utilizando algoritmos genéticos, la fabricación en una punta de fibra y la caracterización de una linterna fotónica de mezcla de seis modos de 375 μm de largo capaz de convertir entre seis entradas monomodo en una única guía de ondas de seis modos. A pesar de su tamaño compacto, el dispositivo presenta una baja pérdida de inserción (-2,6 dB), una baja sensibilidad a la longitud de onda y una baja polarización y pérdidas dependientes del modo (-0,2 dB y -4,4 dB respectivamente).

Interfaz eficiente entre seis núcleos de fibra óptica y una fibra óptica de seis modos con la linterna fotónica impresa en 3D a microescala.
Interfaz eficiente entre seis núcleos de fibra óptica y una fibra óptica de seis modos con la linterna fotónica impresa en 3D a microescala.

El artículo de investigación titulado “Free-Standing Microscale Photonic Lantern Spatial Mode (De-) Multiplexer Fabricated using 3D Nanoprinting”, ya está disponible en Light: Science and Application.

Investigadores:
Yoav Dana1, Yehudit Garcia1, Aleksei Kukin1, Lauren Dallachiesa2, Sterenn Guerrier2, Nicolas K Fontaine2 y Dan M. Marom1.

Instituciones:
1) Instituto de Física Aplicada, Universidad Hebrea de Jerusalem.
2) Laboratorios Nokia Bell.

 

Agradecimientos: Este trabajo fue financiado en parte por la Autoridad de Innovación de Israel a través del Consorcio VCSEL. La impresión 3D-nano se llevó a cabo en el Laboratorio Peter Brojde de Sistemas Integrados en Miniatura del Instituto de Física Aplicada de la Universidad Hebrea.