Micro-ottiche 3D sulle punte delle fibre ottiche

I ricercatori svedesi hanno stampato in 3D micro-ottiche di vetro di silice su fibre ottiche, migliorando la velocità di Internet e la connettività. Questa tecnica, più resistente e precisa, potrebbe rivoluzionare il telerilevamento, i prodotti farmaceutici e la fotonica

L'integrazione di materiali e strutture funzionali sulle punte delle fibre ottiche ha consentito varie applicazioni in microottica, come rilevamento, imaging e intrappolamento ottico. La scrittura laser diretta è una tecnologia di stampa 3D promettente per la fabbricazione di strutture microottiche avanzate su punte di fibra. Fino ad oggi, la selezione dei materiali è stata limitata ai fotoresist a base di polimeri organici perché i metodi esistenti per la scrittura laser diretta 3D di materiali inorganici comportano un trattamento ad alta temperatura che non è compatibile con le fibre ottiche. Tuttavia i polimeri organici non presentano stabilità e trasparenza paragonabili a quelle dei vetri inorganici.

Per la prima volta nel campo delle comunicazioni, i ricercatori svedesi hanno stampato con successo micro-ottiche in vetro di silice in 3D direttamente sulle punte delle fibre ottiche, aree minuscole quanto la sezione trasversale di un capello umano. Questa svolta potrebbe portare a velocità Internet più elevate e a una migliore connettività, insieme allo sviluppo di sensori più piccoli e sistemi di imaging più compatti.

In un articolo pubblicato sulla rivista ACS Nano (1), i ricercatori del KTH Royal Institute of Technology di Stoccolma affermano che l’integrazione di dispositivi ottici in vetro di silice con fibre ottiche consente molteplici innovazioni, tra cui sensori remoti più sensibili per l’ambiente e l’assistenza sanitaria.

Le tecniche di stampa segnalate potrebbero rivelarsi preziose anche nella produzione di prodotti farmaceutici e chimici.

Progressi nelle tecniche di stampa

Il professor Kristinn Gylfason (2) del KTH afferma che il metodo supera i limiti di vecchia data nella strutturazione delle punte delle fibre ottiche con vetro di silice, che secondo lui spesso richiedono trattamenti ad alta temperatura compromettenti l'integrità dei rivestimenti in fibra sensibili alla temperatura. A differenza di altri metodi, il processo inizia con un materiale di base senza carbonio. Ciò significa che non sono necessarie alte temperature per eliminare il carbonio e rendere trasparente la struttura del vetro.

L'autore principale dello studio, Lee-Lun Lai (3), afferma che i ricercatori hanno stampato un sensore in vetro di silice che si è dimostrato più resistente di un sensore standard in plastica dopo misurazioni multiple.

«Abbiamo dimostrato un sensore dell’indice di rifrazione del vetro integrato nella punta della fibra che ci ha permesso di misurare la concentrazione di solventi organici. Questa misurazione è impegnativa per i sensori a base polimerica a causa della corrosività dei solventi», afferma il dottor Lee-Lun Lai.

«Queste strutture sono così piccole che se ne potrebbero inserire 1.000 sulla superficie di un granello di sabbia, che hanno all'incirca le dimensioni dei sensori utilizzati oggi», afferma il coautore dello studio, il dottor Po-Han Huang (4).

I ricercatori hanno anche dimostrato una tecnica per stampare nanogratature, motivi ultra-piccoli incisi su superfici su scala nanometrica. Questi vengono utilizzati per manipolare la luce in modi precisi e hanno potenziali applicazioni nella comunicazione quantistica.

Gylfason afferma che la capacità di stampare in 3D strutture di vetro arbitrarie direttamente sulla punta della fibra apre nuove frontiere nella fotonica. «Colmando il divario tra la stampa 3D e la fotonica, le implicazioni di questa ricerca sono di vasta portata, con potenziali applicazioni in dispositivi microfluidici, accelerometri MEMS ed emettitori quantistici integrati in fibra», afferma.

Lo studio è stato finanziato dallo Sweden Taiwan Research Projects 2019 e dalla Fondazione svedese per la ricerca strategica.

Riferimenti:

(1) 3D Printing of Glass Micro-Optics with Subwavelength Features on Optical Fiber Tips

(2) Kristinn Gylfason

(3) Lee-Lun Lai

(4) Po-Han Huang

Descrizione foto: I ricercatori svedesi hanno innovato la stampa 3D sviluppando micro-ottiche di vetro di silice su fibre ottiche, promettendo Internet più veloce, sensori migliorati e sistemi di imaging avanzati, evitando al tempo stesso danni ad alta temperatura ai rivestimenti delle fibre. - Credit: David Callahan.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Smaller than a grain of sand—silica glass sensors 3D-printed on optical fiber