双光子3D打印微型光子灯笼：模分复用技术的新突破

2024-07-16 14:39:45 187阅读次数

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光子灯笼（PL）空间复用器在未来的高容量模分复用（MDM）光通信网络和自由空间光通信等领域具有巨大的应用潜力。它们能够在多个单模（SM）光源和相同尺寸的多模（MM）波导之间进行高效转换。PL复用器通过促进SM阵列空间和单个MM空间之间的绝热过渡来实现操作。然而，目前的制造方法迫使这些器件的尺寸达到几毫米，使得与微型光子系统的集成变得相当具有挑战性。3D微纳米打印技术的出现使得制造具有高折射率对比度（光聚合物-空气）的独立式光子结构成为可能。

耶路撒冷希伯来大学的 Yoav Dana 及其团队在Light: Science & Applications上发表了相关论文，提出的一种使用双光子3D 打印技术制造独立式微型光子灯笼（PL）空间模式（解）复用器的方法。

这项工作展示了如何利用3D打印技术设计、制造和表征一个六模混合、长度仅为375 μm的PL。该PL采用基于遗传算法的逆向设计方法进行设计，并使用Nanoscribe双光子聚合3D打印系统和光刻胶（IP-Dip）直接在7芯光纤上制造。尽管波导表现出高折射率对比度，但测量到低插入损耗（-2.6 dB）、偏振相关损耗（-0.2 dB）和模式相关损耗（-4.4 dB）。

这项工作中提出的3D打印PL器件总长度仅为375 μm，复用器长度为83 μm，远小于传统PL器件。此外，3D打印技术实现了光聚合物-空气的高折射率对比度波导。该器件为独立式结构，易于与各种光源和系统集成。为了增强器件的机械稳定性，又不影响其性能，研究人员还设计了外部支撑结构。

研究人员首先在玻璃基板上制造了一个PL原型，然后将其直接打印在7芯光纤的端面上，每个输入都与单个纤芯对齐。为了测量PL的耦合矩阵，研究人员采用了离轴数字全息技术，并使用两个正交偏振参考光束（X和Y偏振）同时捕获两个干涉场分量。此外，还进行了直接功率测量，以评估PL的光功率传输效率。实验结果表明，该PL器件在1510-1620 nm波长范围内表现出几乎均匀的性能，光功率损耗为-2.7 dB，在计算其与匹配的虚拟多模光纤的耦合时，IL为-0.9 dB，MDL为-4.4 dB。

为了评估微型PL作为MUX、六模光纤段和基于光纤的模式保持PL作为DEMUX的系统传输测试，研究人员使用光矢量网络分析仪（OVNA）进行了系统传输矩阵测量。测量结果显示，所有2×6模都被6模混合PL有效激发，并且在测量光谱范围内表现出稳定性。

这项研究为利用3D打印技术设计和制造独立式多微米PL器件开辟了新的可能性，有望彻底改变空间复用在新型应用和平台中的应用。在不同基板和材料上进行打印的能力促进了与VCSEL阵列、硅光子集成电路和其他光子技术等微尺度组件的紧凑集成。这一进步带来了更大的灵活性，并为具有改进功能和性能的紧凑型集成光子系统开辟了新的途径。未来的研究将集中在改进制造工艺、提高光纤对准技术以及增加模式数量（达到10个或更多）等方面。