De moderne samenleving vertrouwt op technologieën met elektronische geïntegreerde schakelingen (IC) als hart, maar deze kunnen minder geschikt blijken te zijn in toekomstige toepassingen zoals kwantumcomputers en omgevingsdetectie. Fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's), het op licht gebaseerde equivalent van elektronische IC's, zijn een opkomend technologieveld dat een lager energieverbruik kan bieden, snellere werking, en verbeterde prestaties. Echter, huidige PIC-fabricagemethoden leiden tot grote variabiliteit tussen gefabriceerde apparaten, wat resulteert in een beperkte opbrengst, lange vertragingen tussen het conceptuele idee en het werkende apparaat, en gebrek aan configureerbaarheid. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben een nieuw proces bedacht voor de fabricage van PIC's die deze kritieke problemen aanpakt, door nieuwe herconfigureerbare PIC's te creëren op dezelfde manier als de opkomst van programmeerbare logische apparaten de IC-productie in de jaren tachtig transformeerde.

Fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's) - het op licht gebaseerde equivalent van elektronische IC's - dragen signalen over via zichtbaar en infrarood licht. Optische materialen met instelbare brekingsindex zijn essentieel voor herconfigureerbare PIC's omdat ze een nauwkeurigere manipulatie van licht dat door de materialen gaat, mogelijk maken, wat leidt tot betere PIC-prestaties.

De huidige programmeerbare PIC-concepten hebben last van problemen zoals vluchtigheid en/of hoge optische signaalverliezen, die beide een negatief effect hebben op het vermogen van een materiaal om zijn geprogrammeerde staat te behouden. Met behulp van gehydrogeneerd amorf silicium (a-Si:H), een materiaal dat wordt gebruikt in dunne-film silicium zonnecellen, en het bijbehorende Staebler-Wronski-effect (SWE), waarin wordt beschreven hoe de optische eigenschappen van a-Si:H kunnen worden gewijzigd via blootstelling aan licht of verwarming, Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben een nieuw PIC-fabricageproces ontworpen dat de tekortkomingen van de huidige technieken aanpakt en zou kunnen leiden tot de opkomst van universeel programmeerbare PIC's.

PIC-opbrengst verbeteren

Volgens Oded Raz, Universitair hoofddocent bij de afdeling Electrical Engineering en onderzoeksleider voor dit project, deze benadering zou van het grootste belang kunnen zijn op het gebied van PIC's. "Dit is 's werelds eerste demonstratie van een herconfigureerbare PIC, waar het gekozen materiaal voor het maken van de geïntegreerde optische schakeling wordt geprogrammeerd." Mahir Asif Mohammed merkt ook op dat de opbrengst van bestaande benaderingen voor de fabricage van PIC's doorgaans erg laag is. "Onze methode kan deze opbrengst aanzienlijk verbeteren".

Deze revolutionaire nieuwe aanpak zou een golf van verder onderzoek naar herconfigureerbare PIC's kunnen inluiden en heeft nog meer voordelen. "Het belangrijkste is, in vergelijking met de huidige methoden, de tijd om een ​​prototype te maken is veel korter en veel nauwkeuriger", zegt Raz. "Terwijl we aan de methode blijven werken, we voorspellen dat de tijd tot prototype zal blijven afnemen", voegt Mohammed eraan toe.

De onderzoekers wijzen er ook op dat verwarmers op een vooraf belicht apparaat kunnen worden geplaatst, zodat de gebruiker een PIC-apparaat naar wens kan programmeren. Dezelfde verwarmers kunnen het apparaat ook resetten en terugbrengen naar een staat die gemakkelijk opnieuw kan worden geprogrammeerd. "Onze aanpak bevordert herbruikbaar en duurzaam materiaalgebruik", zegt Mohamed.

Cruciaal, zoals opgemerkt door Raz, "Deze aanpak stelt de gebruiker in staat om eenvoudig de functionaliteit van een PIC te programmeren en tegelijkertijd te corrigeren voor kleine fouten in het fabricageproces. Je kunt de functionaliteit gewoon afstemmen en het is er!"

experimenten

Om de effectiviteit van blootstelling aan licht en verwarming van a-Si:H te beoordelen om de optische eigenschappen ervan af te stemmen, de onderzoekers overwogen eerst een proof-of-concept-experiment waarbij ze veranderingen in de brekingsindex van een dunne laag a-Si:H op een siliciumsubstraat bestudeerden. Het materiaal onderging cycli van verhitting (vier uur in het donker in een stikstofatmosfeer) en doorweekte (via een afstembare laser in het nabij-infrarode bereik) behandelingen met licht. Het experiment toonde een omkeerbare verandering van de brekingsindex van ongeveer 0,001 - een belangrijke vereiste voor de fabricage van herconfigureerbare PIC's.

Vervolgens vertoonde een herconfigureerbare optische schakelaar op basis van een microringresonator (MRR) die werd onderworpen aan cycli van lichtweek- en verwarmingsbehandelingen ook herhaalbare omkeerbaarheid. En tot slot om de oorzaak van de omkeerbare brekingsindexveranderingen beter te begrijpen, de onderzoekers onderzochten variaties in de structuur van een 1-dimensionaal membraan, waarbij is aangetoond dat de belangrijkste bijdrage aan de schakeltoestanden van het MRR-apparaat metastabiele volumetrische expansie is.