Innovativ ny fremstillingsmetode til omprogrammerbare fotoniske kredsløb

Det moderne samfund er afhængig af teknologier med elektroniske integrerede kredsløb (IC) i hjertet, men disse kan vise sig at være mindre egnede i fremtidige applikationer såsom kvantecomputing og miljøføling. Fotoniske integrerede kredsløb (PIC'er), den lysbaserede ækvivalent til elektroniske IC'er, er et spirende teknologifelt, der kan tilbyde lavere energiforbrug, hurtigere drift, og forbedret ydeevne. Imidlertid, nuværende PIC-fremstillingsmetoder fører til stor variation mellem fremstillede enheder, hvilket resulterer i begrænset udbytte, lange forsinkelser mellem den konceptuelle idé og den fungerende enhed, og mangel på konfiguration. Forskere ved Eindhoven University of Technology har udtænkt en ny proces til fremstilling af PIC'er, der behandler disse kritiske spørgsmål, ved at skabe nye rekonfigurerbare PIC'er på samme måde som fremkomsten af ​​programmerbare logiske enheder transformerede IC-produktionen i 1980'erne.

Fotoniske integrerede kredsløb (PIC'er) - den lysbaserede ækvivalent til elektroniske IC'er - bærer signaler via synligt og infrarødt lys. Optiske materialer med justerbart brydningsindeks er afgørende for rekonfigurerbare PIC'er, da de giver mulighed for mere nøjagtig manipulation af lys, der passerer gennem materialerne, fører til bedre PIC-ydelse.

Nuværende programmerbare PIC-koncepter lider under problemer såsom volatilitet og/eller høje optiske signaltab - som begge påvirker et materiales evne til at bevare sin programmerede tilstand negativt. Ved at bruge hydrogeneret amorft silicium (a-Si:H), et materiale, der anvendes i tyndfilms silicium solceller, og den tilhørende Staebler-Wronski-effekt (SWE), som beskriver, hvordan de optiske egenskaber af a-Si:H kan ændres via lyseksponering eller opvarmning, forskere ved Eindhoven University of Technology har designet en ny PIC-fremstillingsproces, der adresserer manglerne ved nuværende teknikker og kan føre til fremkomsten af ​​universelle programmerbare PIC'er.

Forbedring af PIC-udbytte

Ifølge Oded Raz, Lektor ved Institut for Elektroteknik og forskningsleder for dette projekt, denne tilgang kunne være af afgørende betydning for PIC-området. "Dette er verdens første demonstration af en rekonfigurerbar PIC, hvor materialet, der er valgt til at lave det integrerede optiske kredsløb, bliver programmeret". Mahir Asif Mohammed bemærker også, at udbyttet fra eksisterende tilgange til fremstilling af PIC'er typisk er meget lavt. "Vores metode kan forbedre dette udbytte væsentligt".

Denne revolutionerende nye tilgang kunne varsle en bølge af yderligere undersøgelser af rekonfigurerbare PIC'er, og den har yderligere fordele. "Mest vigtigt, i forhold til nuværende metoder, tiden til prototype er meget kortere og meget mere nøjagtig", siger Raz. "Mens vi fortsætter med at arbejde på metoden, vi forudser, at tiden til prototype vil fortsætte med at falde", tilføjer Mohammed.

Forskerne påpeger også, at varmelegemer kan placeres på en for-lys-eksponeret enhed for at give brugeren mulighed for at programmere en PIC-enhed som ønsket. De samme varmeapparater kan også nulstille enheden og returnere den til en tilstand, der let kan omprogrammeres. "Vores tilgang fremmer genanvendelig og bæredygtig brug af materialer", siger Mohammed.

Afgørende, som påpeget af Raz, "Denne tilgang giver brugeren mulighed for nemt at programmere funktionaliteten af ​​en PIC og samtidig korrigere for små fejl i fremstillingsprocessen. Du kan bare justere funktionaliteten, og den er der!"

Eksperimenter

For at vurdere effektiviteten af ​​lyseksponering og opvarmning af a-Si:H for at justere dets optiske egenskaber, forskerne overvejede først et proof-of-concept-eksperiment, hvor de undersøgte ændringer i brydningsindekset for et tyndt lag a-Si:H på et siliciumsubstrat. Materialet oplevede cyklusser med opvarmning (i fire timer i mørke i en nitrogenatmosfære) og let iblødsætning (via en indstillelig laser i det nær-infrarøde område) behandlinger. Eksperimentet viste en reversibel brydningsindeksændring på omkring 0,001 - et nøglekrav til fremstilling af rekonfigurerbare PIC'er.

Dernæst viste en rekonfigurerbar optisk kontakt baseret på en mikroringresonator (MRR), som var genstand for cyklusser af lysopblødning og opvarmningsbehandlinger, også gentagelig reversibilitet. Og endelig for bedre at forstå årsagen til de reversible brydningsindeksændringer, forskerne undersøgte variationer i strukturen af ​​en 1-dimensionel membran, hvor den største bidragyder til omskiftningstilstande for MRR-enheden er vist at være metastabil volumetrisk ekspansion.