Les services émergents tels que les services d'interconnexion cloud des datacenters, services vidéo ultra-bande passante, et les services mobiles 5G stimulent le développement rapide des circuits intégrés photoniques (PIC), qui peut répondre à la demande croissante de systèmes de communication pour Internet.

Cependant, Les PIC sont aujourd'hui largement perçus comme des structures planes, capable de guider la lumière dans un seul plan. Cette planéité résulte des procédés de fabrication traditionnels descendants.

La lithographie multiphotonique est une nouvelle technologie d'impression 3D prometteuse qui permet de fabriquer plus facilement des objets 3D, par rapport à la fabrication d'objets 3D dans les méthodes de fabrication conventionnelles de type salle blanche utilisées en électronique et en optoélectronique.

Avec cette technique, il n'y a plus de restriction de l'exposition descendante pour la réalisation des PIC car elle débloque les fonctions disponibles par la troisième dimension. Tirer parti des concepts de fabrication additive, La lithographie multiphotonique 3-D implique l'utilisation d'une source de lumière femtoseconde pour initier la polymérisation à deux photons lorsqu'elle est focalisée sur un emplacement spécifique dans le matériau. Cette technique a été utilisée pour réaliser les structures photoniques 3-D à haute résolution.

Des chercheurs de l'Université de technologie et de design de Singapour (SUTD) ont démontré des guides d'ondes 3D haute résolution qui transcendent les restrictions du confinement de la lumière dans un seul plan. Dans l'article publié dans Matériaux optiques avancés, Dr Gao Hongwei, La professeure agrégée Dawn Tan et leurs collègues du Photonics Devices and Systems Group ont présenté des guides d'ondes 3D haute résolution qui guident la lumière dans une configuration en spirale et en pont aérien (voir les images SEM ci-dessous).

Parallèlement à ces nouveaux dispositifs, ils ont également démontré des coupleurs de guides d'ondes 3D à très faible perte avec des pertes de couplage fibre-guide d'ondes de 1,6 dB et une bande passante de 3 dB dépassant 60 nm. Cela contraste avec les normes actuelles de l'industrie qui exigent un emballage très exigeant en main-d'œuvre pour des pertes d'environ 1 dB. L'équipe de recherche a démontré que leurs pertes étaient faibles sans nécessiter de post-traitement ou d'emballage post-fabrication. La fabrication à haute résolution a également abouti à des résonateurs en anneau avec des tailles de caractéristiques inférieures au micron.

"Les dispositifs photoniques fabriqués sont une avancée innovante dans le domaine des circuits intégrés photoniques. Surtout, nous avons également pu démontrer une transmission de données sans erreur 30 Gb/s NRZ et 56 Gb/s PAM4 via ces guides d'ondes. Ceci est important car ces formats et taux de test à haute vitesse sont en alignement avec ceux utilisés dans les produits commerciaux d'émetteurs-récepteurs à détection directe aujourd'hui, ", a expliqué le chercheur principal, le professeur agrégé Tan, qui dirige le groupe des dispositifs et systèmes photoniques au SUTD.

En effet, l'équipe n'a réussi à déduire que de faibles pénalités de puissance de 0,7 dB pour NRZ (taux d'erreur sur les bits [BER] =10 ^-12 ) et 1,5 dB pour PAM4 (BER =10 ^-6 ) des appareils photoniques. Ces résultats démontrent avec succès une vitesse élevée, transmission optique sans erreur à travers les guides d'ondes fabriqués en 3D. Cela montre également la pertinence des dispositifs en tant que guides d'ondes à faible perte et interconnexions optiques.

" Surtout, la qualité 3-D de ces guides d'ondes nous permet de dépasser les limites des structures planes traditionnelles. De cette façon, il est possible d'obtenir des PIC de densité beaucoup plus élevée. La haute résolution, les tailles de caractéristiques submicroniques sont également prometteuses, notamment pour réaliser des fonctions avancées telles que le filtrage spectral, structures de résonateurs et métasurfaces, " a déclaré le Dr Gao, le premier auteur de l'article et chercheur postdoctoral de SUTD.

"Ce travail démontre le potentiel de la fabrication additive dans la fabrication de dispositifs photoniques avancés avec des conceptions 3D supérieures en haute résolution, " a ajouté le co-auteur, professeur agrégé Low Hong Yee de SUTD.

À l'avenir, la capacité de réaliser des structures photoniques 3D haute résolution peut créer encore plus de progrès dans la forme et la fonction de la photonique, y compris le traitement avancé du signal optique, techniques d'imagerie et systèmes spectroscopiques.