Team udvikler en laserprinter til fotoniske chips

Fotoniske integrerede kredsløb er en vigtig næstebølgeteknologi. Disse sofistikerede mikrochips rummer potentialet til væsentligt at reducere omkostningerne og øge hastigheden og effektiviteten for elektroniske enheder på tværs af en lang række anvendelsesområder, herunder bilteknologi, kommunikation, sundhedspleje, datalagring og computere til kunstig intelligens.

Fotoniske kredsløb bruger fotoner, fundamentale partikler af lys, til at flytte, lagre og få adgang til information på nogenlunde samme måde, som konventionelle elektroniske kredsløb bruger elektroner til dette formål. Fotoniske chips er allerede i brug i dag i avancerede fiberoptiske kommunikationssystemer, og de udvikles til implementering i et bredt spektrum af nær fremtidsteknologier, herunder lysdetektion og rækkevidde, eller LiDAR, til autonome køretøjer; lysbaserede sensorer til medicinsk udstyr; 5G og 6G kommunikationsnetværk; og optisk og kvanteberegning.

I betragtning af den brede vifte af eksisterende og fremtidige anvendelser af fotoniske integrerede kredsløb er adgang til udstyr, der kan fremstille chipdesign til undersøgelse, forskning og industrielle anvendelser, også vigtig. Men nutidens nanofabrikationsfaciliteter koster millioner af dollars at bygge og er langt uden for rækkevidde af mange gymnasier, universiteter og forskningslaboratorier.

For dem, der har adgang til en nanofabrikation, skal der reserveres mindst en dag til den krævende og tidskrævende litografiske proces, der bruges til at fremstille disse mikrochips. Oven i det, hvis der er lavet en fejl i designet, eller hvis chippen ikke fungerer korrekt af en anden grund, skal det defekte kredsløb kasseres, designet justeres og en ny chip fremstilles. Dette resulterer ofte i dage eller endda uger tilbragt i renrummet.

Men nu, som beskrevet i et nyt papir i Science Advances , et forskerhold ledet af University of Washington har udtænkt en måde at omgå dyre nanofabrikationsfaciliteter og producere fotoniske integrerede kredsløb næsten overalt.

Holdet har udviklet en innovativ metode, hvor disse kredsløb kan skrives, slettes og modificeres af en laserskriver til en tynd film af faseændringsmateriale svarende til det, der bruges til skrivbare cd'er og dvd'er. Denne nye proces gør det muligt at konstruere og rekonfigurere fotoniske integrerede kredsløb på en brøkdel af den tid, det ville tage i et nanofabrikationslaboratorium.

Multi-universitetsteamet blev ledet af UW Electrical and Computer Engineering and Physics Professor Mo Li, som er instituttets associerede formand for forskning, medlem af Institute for Nano-Engineered Systems og seniorforfatter af papiret.

"Fotonisk teknologi er i horisonten; derfor er vi nødt til at træne eller uddanne vores studerende inden for dette felt. Men for at studerende kan studere og have praktisk erfaring med fotoniske kredsløb, har de i øjeblikket brug for adgang til en multimillion-dollar facilitet," sagde Li.

"Denne nye teknologi løser dette problem. Ved hjælp af vores metode kan fotoniske kredsløb, som tidligere skulle fremstilles i dyre og svært tilgængelige faciliteter nu, printes og omkonfigureres i laboratorier, klasseværelser og endda garageværksteder med en hurtig, lav værdi. -pris enhed på størrelse med en konventionel desktop laserprinter."

Fordele for studerende, forskere og industrien

Studerende er ikke de eneste, der kan drage fordel af denne nye måde at skabe fotoniske integrerede kredsløb på. For forskere vil dette fremskridt muliggøre en meget hurtigere ekspeditionstid for prototyping og afprøvning af en ny idé, før der reserveres værdifuld tid i en nanofabrikationsfacilitet.

Og til industrielle applikationer er en stor fordel ved denne metode til fremstilling af fotoniske integrerede kredsløb rekonfigurerbarhed. For eksempel kunne virksomheder muligvis bruge denne teknologi til at skabe rekonfigurerbare optiske forbindelser i datacentre, især i systemer, der understøtter kunstig intelligens og maskinlæring, hvilket ville føre til omkostningsbesparelser og produktionseffektivitet.

Lis forskerhold omfattede UW ECE-kandidatstuderende Changming Wu, som er hovedforfatter af papiret, og sammen med Li kom ideen til denne nye måde at bygge fotoniske integrerede kredsløb på. UW ECE kandidatstuderende Haoqin Deng bidrog også til indsatsen. Deres arbejde er det seneste resultat af en seks-årig forskningslinje på UW, der omfatter fremskridt inden for optisk databehandling. Det er også en fortsættelse af et produktivt samarbejde med professorerne Ichiro Takeuchi og Carlos A. Ríos Ocampo og deres studerende ved University of Maryland.

"At være i stand til at skrive et helt fotonisk kredsløb ved hjælp af kun et enkelt trin, uden en kompliceret fremstillingsproces, er virkelig spændende. Og det faktum, at vi kan lave enhver modifikation af enhver del af kredsløbet i vores eget laboratorium og omskrive og gentage det, er fantastisk," sagde Wu. "Det er et spørgsmål om minutter versus en hel dag lang proces. Det er en kæmpe lettelse at være i stand til at afslutte hele fremstillingsprocessen inden for et par minutter i stedet for, hvad der ofte er flere dage eller endda en uge."

Forbedring af ydeevnen, opbygning af en kommerciel enhed

Metoden, som teamet udviklede, har vist sig at fungere, men det er stadig et tidligt koncept. Li har dog indgivet en foreløbig patentansøgning, og han har planer i gang om at bygge en desktop laserskriver til fotoniske integrerede kredsløb. Denne printer kunne sælges til en overkommelig pris og distribueres bredt til forskningslaboratorier og uddannelsesinstitutioner rundt om i verden. Han er også i dialog med industriledere for at fremme mulige anvendelser af denne nye teknologi i programmerbare fotoniske chips og rekonfigurerbare optiske netværk.

Denne laserprinter til fotoniske chips vil bruge et iscenesættelsessystem, der vil flytte substratet på en meget mere præcis måde end i en traditionel desktopprinter. Holdet vil søge måder at optimere dets ydeevne på, mens de bygger en prototype. De vil også arbejde på at reducere optisk tab i det faseskiftemateriale, de bruger, gennem yderligere forskning i materialevidenskab og laserskriveteknikker. Dette vil sætte printeren i stand til at producere endnu mere detaljerede og sofistikerede kredsløb, end hvad der i øjeblikket er muligt.

Li sagde, at han og hans forskerhold var meget spændte på, hvad der lå forude.

"Denne teknologi kan skabe det fotoniske kredsløb, du ønsker, men det kan også føjes til allerede eksisterende elektroniske kredsløb. Og fordi det er rekonfigurerbart og genbrugeligt, åbner det bare mange muligheder for studerende, forskere og industri," sagde Li. "Det, der er mest spændende for mig, er, at vi potentielt vil have en enorm indflydelse på fotonikområdet ved at formidle dette nye værktøj og teknologi til det bredere forskningssamfund."

Flere oplysninger: Changming Wu et al., Freeform direct-write og genskrivbare fotoniske integrerede kredsløb i faseskiftende tynde film, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk1361

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af University of Washington