Onderzoekers hebben nieuwe polymeermaterialen ontwikkeld die ideaal zijn voor het maken van de optische verbindingen die nodig zijn om op chips gebaseerde fotonische componenten te verbinden met circuits op bordniveau of optische vezels. De polymeren kunnen worden gebruikt om eenvoudig verbindingen te maken tussen fotonische chips en optische printplaten, het op licht gebaseerde equivalent van elektronische printplaten.

"Deze nieuwe materialen en de processen die ze mogelijk maken, kunnen leiden tot krachtige nieuwe fotonische modules op basis van siliciumfotonica", zegt onderzoeksteamleider Robert Norwood van de Universiteit van Arizona. "Ze kunnen ook nuttig zijn voor optische detectie of het maken van holografische displays voor augmented- en virtual reality-toepassingen.

Dankzij siliciumfotonica-technologie kunnen op licht gebaseerde componenten op een kleine chip worden geïntegreerd. Hoewel veel van de basisbouwstenen van silicium fotonische apparaten zijn aangetoond, zijn er betere methoden nodig om de optische verbindingen te fabriceren die deze componenten met elkaar verbinden om complexere systemen te maken.

In het tijdschrift Optical Materials Express , rapporteren de onderzoekers nieuwe polymeermaterialen met een brekingsindex die kan worden aangepast met ultraviolet (UV) licht en lage optische verliezen. Met deze materialen kan een single-mode optische interconnect rechtstreeks in een droog filmmateriaal worden geprint met behulp van een goedkoop lithografiesysteem met hoge doorvoer dat compatibel is met de CMOS-productietechnieken die worden gebruikt om op chips gebaseerde fotonische componenten te maken.

"Deze technologie maakt het praktischer om optische verbindingen te maken, die kunnen worden gebruikt om het internet, met name de datacenters die het laten draaien, efficiënter te maken", zegt Norwood. "Vergeleken met hun elektronische tegenhangers kunnen optische verbindingen de gegevensdoorvoer verhogen en tegelijkertijd minder warmte genereren. Dit vermindert het stroomverbruik en de koelingsvereisten."

Draden vervangen door licht

Het onderzoek breidt zich uit op een vinylthiofenol-polymeermateriaalsysteem dat bekend staat als S-BOC en dat de onderzoekers eerder hebben ontwikkeld. Dit materiaal heeft een brekingsindex die kan worden gewijzigd met behulp van UV-verlichting. In het nieuwe werk hebben de onderzoekers S-BOC gedeeltelijk gefluoreerd om de lichtefficiëntie te verbeteren. Het nieuwe materiaalsysteem, FS-BOC genaamd, vertoont lagere optische voortplantingsverliezen dan veel andere optische verbindingsmaterialen.

"Met dit materiaal kunnen we een proces gebruiken dat we SmartPrint noemen om rechtstreeks optische verbindingen tussen verschillende optische printplaatelementen te schrijven, zoals ionenuitwisselings (IOX) glasgolfgeleiders geleverd door onze medewerker Lars Brusberg van Corning Incorporated," zei Norwood.

Om het SmartPrint-proces uit te voeren, wordt een FS-BOC-film rechtstreeks op een fotonische component aangebracht. Er is geen mechanische uitlijning nodig omdat de optische verbinding wordt gemaakt met behulp van een maskerloos lithografiesysteem dat berekent waar de verbinding nodig is door naar de componenten te kijken en vervolgens de optische verbinding in het polymeer te schrijven met behulp van fotobelichting. Er is geen verdere bewerking nodig behalve het kort verwarmen van de polymeerfilm tot 90 °C. Omdat de fabricagemethode maskerloos is, kunnen schrijfpatronen worden gewijzigd zonder een nieuw fotomasker te maken.

Een verbinding maken

Om de nieuwe materialen te demonstreren, deponeerden de onderzoekers ze rechtstreeks op ionenuitwisselingsglazen golfgeleiderarrays, die vaak worden gebruikt voor geïntegreerde fotonische apparaten. Ze drukten vervolgens de koppelingskenmerken af ​​die nodig zijn om licht uit één IOX-golfgeleider te laten reizen, zich voort te planten in de nieuw vervaardigde polymeerverbinding en vervolgens een tweede IOX-golfgeleider binnen te gaan naast de oorspronkelijke IOX-golfgeleider.

Volgens de onderzoekers werkten de optische verbindingen van polymeer goed en vertoonden ze weinig voortplantings- en koppelingsverliezen, wat betekent dat er heel weinig licht verloren ging tijdens het reizen binnen de verbinding of tussen de verbinding en de andere componenten.

De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van het brekingsindexcontrast en de prestaties van het materiaal bij hoge temperaturen. "Een hoger brekingsindexcontrast zou het materiaal toleranter maken voor fabricagevariaties, terwijl hoge temperatuurprestaties waarschijnlijk nodig zijn om de verbinding bestand te maken tegen soldeerterugvloeiprocessen, die plaatsvinden boven 200 ° C", aldus Norwood. + Verder verkennen

Ultracompact geïntegreerd fotonisch apparaat kan leiden tot nieuwe optische technologieën