Forskere integrerer optiske enheder lavet af flere materialer på en enkelt chip

Forskere har udviklet en meget nøjagtig måde at samle optiske enheder i mikronskala ekstremt tæt sammen på en enkelt chip. Den nye tilgang kunne en dag tillade fremstilling af højvolumen af ​​chip-baserede optiske systemer, der ville muliggøre mere kompakte optiske kommunikationsenheder og avancerede billedapparater.

"Udviklingen af ​​elektronik, der er baseret på siliciumtransistorer, har muliggjort stadigt mere kraftfulde og fleksible systemer på en chip, " Dimitars Jevtics fra University of Strathclyde i Storbritannien. "Optiske systemer på en chip, imidlertid, kræver integration af forskellige materialer på en enkelt chip og, derfor, har ikke set den samme udvikling i skala som siliciumelektronik."

I tidsskriftet Optica Publishing Group Optiske materialer Express , Jevtics og kolleger beskriver deres nye transfer printproces og demonstrerer dens evne til at placere enheder lavet af flere materialer på en enkelt chip, alt sammen integreret i et fodaftryk, der i størrelse svarer til selve enhederne. Mens andre metoder typisk er begrænset til et enkelt materiale, denne nye tilgang giver en værktøjskasse af materialer, som fremtidige systemdesignere kan trække på.

"Optisk kommunikation på chip, for eksempel, vil kræve samling af optiske kilder, kanaler og detektorer på underenheder, der kan integreres med siliciumchips, " sagde Jevtics. "Vores transfer printproces kunne skaleres op til at integrere tusindvis af enheder lavet af forskellige materialer på en enkelt wafer. Dette ville gøre det muligt for mikronskala optiske enheder at blive inkorporeret i fremtidige computerchips til højdensitetskommunikation eller i lab-on-a-chip bio-sensing platforme."

En bedre måde at vælge og placere på

En af de største udfordringer ved at samle flere enheder på en chip er at forsøge at placere dem meget tæt sammen uden at forstyrre enheder, der allerede er på chippen. For at opnå dette, forskerne udviklede en metode baseret på reversibel adhæsion, hvor en enhed tages op og frigøres fra sit vækstsubstrat og placeres på en ny overflade.

Den nye metode bruger et blødt polymerstempel monteret på et robot-bevægelseskontroltrin til at opfange en optisk enhed fra substratet, hvorpå den blev lavet. Substratet, som det vil blive placeret på, placeres derefter under den ophængte anordning og justeres nøjagtigt ved hjælp af et mikroskop. Når den er justeret korrekt, de to overflader bringes i kontakt, som frigør enheden fra polymerstemplet og afsætter den på måloverfladen. Fremskridt inden for nøjagtig mikromonteringsrobotik, nanofabrikationsteknikker og mikroskopisk billedbehandling var med til at gøre denne tilgang mulig.

"Ved omhyggeligt at designe stemplets geometri, så den passer til enheden og kontrollere klæbrigheden af ​​polymermaterialet, vi kan konstruere, om en enhed vil blive afhentet eller frigivet, " sagde Jevtics. "Når den er optimeret, denne proces inducerer ingen skade og kan skaleres op ved hjælp af automatisering for at være kompatibel med wafer-skala fremstilling."

Skaber en tæt pakket chip

For at demonstrere den nye teknik, forskerne integrerede aluminium galliumarsenid, optiske diamant- og galliumnitridresonatorer på en enkelt chip. Disse optiske resonatorer udviste god optisk transmission, viser, at integrationen fungerede godt.

De brugte også printmetoden til at skabe halvleder nanotrådlasere ved at placere nanotråde på værtsoverflader i rumligt tætte arrangementer. Scannende elektroniske mikroskopimålinger af adskillelsen mellem nanotrådene viste en rumlig nøjagtighed i 100 nanometer-området. Ved at placere halvleder nanotråde på siliciumdioxid, de var i stand til at skabe et multi-bølgelængde nanolasersystem.

"Som fremstillingsteknik, denne udskrivningstilgang er ikke begrænset til optiske enheder, " sagde Jevtics. "Vi håber, at elektronikspecialister også vil se muligheder for, hvordan det kan anvendes i fremtidige systemer."

Som et næste skridt, forskerne arbejder på at kopiere disse resultater med et større antal enheder for at vise, at det virker i større skalaer. De ønsker også at kombinere deres tilgang til transferprint med en automatiseret justeringsteknik, de tidligere har udviklet for at muliggøre hurtig måling, udvælgelse og overførsel af hundredvis af isolerede enheder til applikationer i billeddannelse og hybride optiske kredsløb.