PICs sind miniaturisierte optische Plattformen, die mehrere photonische Funktionen miteinander kombinieren. Das Anwendungspotenzial dieser Chips ist enorm und erstreckt sich über die Felder der optischen Datenverarbeitung, Datenübertragung und Telekommunikation bis hin zur Sensorik im medizinischen Bereich und dem autonomen Fahren mit Unterstützung von LIDAR-Systemen.
Eine der zentralen Herausforderungen auf dem Gebiet der PICs ist die effiziente Übertragung von Licht zwischen optischen Elementen mit unterschiedlichen Modenfeldern. Licht wird in der Regel durch Monomodefasern (engl. Single-Mode-Fiber, Kurzform: SMF) zum photonischen Chip geführt. Wenig effizient ist diese Vorgehensweise jedoch, weil sich die Modenfelder der Faser und des PICs um etwa eine Größenordnung voneinander unterscheiden. Man kann diesen Sachverhalt damit vergleichen, eine Glasflasche mit engem Flaschenhals mit einem großen Wassereimer befüllen zu wollen. Optimal gelingt die Befüllung nur mit einem Trichter.
Wissenschaftler der Forschungsgruppe Brussels Photonics (B-PHOT) der Vrije Universiteit Brussel arbeiten an diesem Engpass im Bereich der angewandten Photonik und drucken mittels Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) konusförmige 3D-Strukturen auf optische Faserenden. Diese Mikrostrukturen verjüngen sich zum Faserende hin und passen das Modenfeld der Faser damit an das eines photonischen Chips an. Die Forscher drucken außerdem auch konusförmige Strukturen, die nach oben hin breiter werden und so das Modenfeld vergrößern. Auf diese Weise kann die enge Ausrichtungstoleranz, die zur Verbindung von Faserkabel benötigt wird, etwas vergrößert werden.
Direktdruck von Strukturen auf Lichtwellenleiter zur Modenfeldanpassung
In ersten Versuchen druckten die Wissenschaftler mittels der 2PP-Technologie von Nanoscribe konusförmige Strukturen als Stufenindexlichtwellenleiter ohne schützenden Mantel. Diese Strukturen werden direkt auf die Faserfacette gedruckt und fungieren so als Verlängerung des Faserkerns. Über eine Länge von mehr als 240 µm passen diese konusförmige Strukturen mit hohem Aspekt-Verhältnis das Modenfeld an die gewünschte Anwendung an. Für eine Faser-zu-Chip-Verbindung verjüngen sich die Kegelstrukturen nach oben hin und übertragen im Kontakt mit dem photonischen Chip mehr als 90 Prozent der Lichtintensität der Grundmode.
3D-gedruckte Strukturen mit zunehmendem Durchmesser vergrößern wiederum das Modenfeld und gestalten die Verbindung von Fasern untereinander effizienter. Das Modenprofil wird in diesem Fall um den Faktor 3 vergrößert, was die Ausrichtungstoleranz von Faser-Faser-Verbindungen deutlich lockert.
Mikrostrukturierte optische Fasern
Diese Mikrostrukturen zur Modenfeldanpassung haben die Wissenschaftler aus Brüssel dann zu mikrostrukturierten optischen Fasern (MOF) weiterentwickelt. Diese lichtleitenden Strukturen bestehen aus einem Raster von Luftkanälen, das sich über die gesamte Länge der Faser erstreckt. Durch eine Variation der Geometrie und Anordnung dieser Luftkanäle können verschiedene Eigenschaften des Lichts wie zum Beispiel Polarisation, modale Dispersion, Doppelbrechung und andere nichtlineare Parameter eingestellt werden. Auch die Größe und Form eines Modenfeldes kann man durch MOFs ändern. An genau diesem Ansatz arbeiten die Brüsseler Forscher und drucken dabei MOF-Strukturen direkt auf das Ende einer optischen Faser, um so das optische Modenfeld zu verringern (sich nach oben verjüngende konusförmige Strukturen) bzw. zu vergrößern (im Durchmesser nach oben zunehmende Strukturen). Die Wissenschaftler optimierten mithilfe des 2PP-basierten 3D-Drucks die geometrische Verteilung der Luftkanäle der MOFs und erreichen so eine hocheffiziente Modenfeldanpassung.
Optische Aufbau- und Verbindungstechniken für neue Innovationen
