Nuevo enfoque para el desarrollo de modeladores de luz 3D eficientes y de alta precisión <br>

22 de abril de 2023

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por SPIE

Las tecnologías modernas como la computación óptica, la fotónica integrada y la holografía digital requieren que las señales de luz sean manipuladas en tres dimensiones. Para lograr esto, es necesario poder dar forma y guiar el flujo de luz de acuerdo a su aplicación deseada. Dado que el flujo de luz dentro de un medio está gobernado por el índice de refracción, se necesita un ajuste específico del índice de refracción para realizar el control de la trayectoria de la luz dentro del medio. 

Para este fin, los científicos han desarrollado lo que se llama 'elementos volumétricos fotónicos aperiódicos' (APVE), voxels microscópicos con índices de refracción específicos ubicados en posiciones predefinidas para dirigir el flujo de luz de manera controlada. Sin embargo, es necesaria una gran precisión para esculpir estos elementos, y la mayoría de los materiales de formación de luz están limitados a configuraciones 2D o terminan degradando el perfil del haz de luz de salida.

En un estudio reciente publicado en Advanced Photonics Nexus (APNexus), los investigadores liderados por Alexander Jesacher de la Universidad Médica de Innsbruck en Austria propusieron un enfoque simple para fabricar APVE altamente precisos para una variedad de aplicaciones. El método utiliza una técnica llamada 'escritura directa con láser' para el arreglo 3D de voxels con índices de refracción específicos dentro del vidrio borosilicato.

En su estudio, los investigadores diseñaron un algoritmo que estimula el flujo de luz a través de un medio para determinar la ubicación óptima de voxels para lograr la precisión necesaria. Con base en esto, pudieron generar entre 154,000 y 308,000 voxels, cada uno ocupando un volumen de aproximadamente 1.75 µm x 7.5 µm x 10 µm, en solo 20 minutos. Además, utilizaron el control dinámico de la onda para compensar cualquier aberración esférica (distorsión del perfil del haz) durante el enfoque del láser en el sustrato. Esto aseguró la consistencia de cada perfil del voxel en todas las profundidades dentro del medio.

El equipo desarrolló tres tipos de APVE para demostrar la aplicabilidad del método: un moldeador de intensidad para controlar la distribución de intensidad del haz de entrada, un multiplexor RGB que manipuló la transmisión de los espectros rojo-verde-azul (RGB) del haz de entrada y un clasificador de modo Hermite-Gaussiano (HG) para mejorar las velocidades de transferencia de datos.

El equipo utilizó el moldeador de intensidad para convertir un haz gaussiano en una distribución de luz con forma de emoticón microscópico, seguido del multiplexor para representar diferentes partes de la distribución de emoticonos en diferentes colores, y finalmente el clasificador de modo HG para convertir múltiples entradas de modo gaussiano entregadas por las fibras ópticas en modos HG. En todos los casos, los dispositivos pudieron transmitir la señal de entrada sin pérdida significativa y lograron una eficiencia de difracción de hasta el 80 por ciento, estableciendo un nuevo punto de referencia para el estándar de APVE.

'Los resultados reportados en este documento avanzan enormemente en el campo de la escritura directa con láser ultra rápida. El nuevo método podría abrir puertas a una plataforma ideal de bajo costo para la creación rápida de moldes fotónicos 3D altamente integrados', dice la miembro del consejo editorial de APNexus, Paulina Segovia-Olvera del Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE). 'La demostración de un sólido método para producir APVE consistentes, reproducibles y confiables no solo agrega al conocimiento actual en el campo sino que también permite nuevas oportunidades en la fotónica aplicada', agrega.

El método, además de su simplicidad, bajo costo y alta precisión, probablemente también se puede extender a otros sustratos, incluyendo materiales no lineales. 'La flexibilidad de nuestro método podría hacerlo viable para diseñar una amplia gama de dispositivos 3D para aplicaciones en transporte de información, computación óptica, imágenes de fibra multimodo, fotónica no lineal y óptica cuántica', concluye Jesacher.

Provided by SPIE