Unik polymerbaseret fremstillingsproces til lave omkostninger, højere udbytte omprogrammerbare fotoniske integrerede kredsløb

Fremtiden ser lys ud for fotoniske integrerede kredsløb (PIC'er), da de ser ud til at blive brugt i kvantecomputere og deep learning-teknologier. Da PIC'er bærer lyssignaler i stedet for elektriske signaler, nøjagtig kontrol af deres brydningsegenskaber er afgørende. Traditionelle teknikker til programmering af fotoniske enheder er afhængige af eksponering for lys og varme. Imidlertid, dette fører til højt strømforbrug og kræver komplekse styrekredsløb.

Forskere fra to forskellige afdelinger ved Eindhoven University of Technology har udviklet en ny og ikke-traditionel polymerbaseret tilgang, der væsentligt reducerer programmeringstiden og øger programmeringsmulighederne for PIC'er. Dette kunne radikalt forbedre fremstillingsudbyttet af programmerbare PIC'er. Forskningen er publiceret i Avancerede optiske materialer .

Omprogrammerbare fotoniske integrerede kredsløb (PIC'er) manipulerer banen for databærende lyssignaler og er lavet af materialer, hvis brydningsindeks kan ændres. For at maksimere signalkontrol og minimere optiske tab, en robust, pålidelig og hurtig metode til fremstilling af PIC'er er påkrævet.

Med det i tankerne, forskere fra afdelingen for elektroteknik (ledet af dr. Mahir Mohammed og lektor Oded Raz) og fra afdelingen for kemiteknik og kemi (ledet af Christian Sproncken og professor Ilja Voets) har udviklet en ny fremstillingsmetode til programmerbare PIC'er, der involverer belægning af fotoniske materialer med polymerer, hvis optiske egenskaber kan justeres bredt i løbet af få minutter ved hjælp af sure opløsninger med varierende pH. Dette er en ny og unik tilgang til fremstilling af programmerbare PIC'er, da den involverer brugen af ​​polymerer og sure opløsninger, i stedet for at udsætte fotoniske materialer for lys og derefter regulere brydningsegenskaberne ved hjælp af varme.

PEM-beklædning til fotoniske enheder

Før fremstillingen af ​​de nye polymer-coatede fotoniske enheder, forskerne bekræftede først, at de optiske egenskaber af responsive polyelectrolyte multilayer (PEM) - et materiale, der består af en række PEM-lag - kunne ændres reversibelt. PEM-coatede siliciumprøver blev udsat for cyklusser med forsuring og neutralisering ved skiftevis at dyppe prøverne i opløsninger med varierende pH. En opløsning med lav pH (meget sur) førte til tynde PEM-lag med højt brydningsindeks, mens opløsninger med højere pH (mindre sure) resulterede i tykke PEM-lag med et lavere brydningsindeks. Faldet i brydningsindeks skyldes en stigning i antallet af huller (stigning i porøsitet) i materialet.

Forfatterne placerede derefter en PEM-beklædning først helt og derefter delvist over en fotonisk enhed. Ved at bruge den cykliske forsuringsproces, de varierede tykkelsen af ​​beklædningen (og som følge heraf dens brydningsindeks). Denne nye tilgang tilbyder en bred vifte af kontrol og fleksibilitet, når det kommer til at producere programmerbare fotoniske enheder. Vigtigt, Enheder kan programmeres i løbet af få minutter ved hjælp af tilgangen. Endnu mere imponerende, den programmerede tilstand er ikke-flygtig og stabil i op til 15 uger.

Stimulering til samarbejde

Stimulansen til dette inter-afdelingsmæssige samarbejde kom fra Mahir Mohammed:"Jeg læste et papir fra 2002 fra en gruppe i MIT, som demonstrerede, at brydningsindekset for PEM kunne ændres ved hjælp af sure opløsninger. Vi nåede ud til CEC-afdelingen og mødtes med Ilja Voets og hendes gruppe. Resten, som de siger, er historie." Medforfatter Christian Sproncken, en ph.d. kandidat i Ilja Voets Self-Organizing Soft Matter Group, bemærkede, "Det var fantastisk at bruge teknikker fra mit felt på en anden måde. Mange vil se dette som en utraditionel måde at lave PIC'er på, men vi viser, hvad der er muligt med denne tilgang!"

Ifølge Oded Raz, "Dette er en helt ny retning for fremstilling af rekonfigurerbar fotonik og baner vejen for lavpris masseproduktion af omprogrammerbare PIC'er", mens Ilja Voets også var begejstret for resultaterne:"Multidisciplinære samarbejder giver mulighed for samtidig at udvikle flere felter. Denne undersøgelse har vist, at vores ekspertise inden for polymerer kan anvendes på en ny og forfriskende måde, hvilket fører til potentialet for vigtige fotoniske komponenter i fremtiden fotoniske teknologier."