De toekomst ziet er rooskleurig uit voor fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's), aangezien ze bestemd zijn voor gebruik in kwantumcomputing en deep learning-technologieën. Omdat PIC's lichtsignalen dragen in plaats van elektrische signalen, nauwkeurige controle van hun brekingseigenschappen is essentieel. Traditionele technieken voor het programmeren van fotonische apparaten zijn afhankelijk van blootstelling aan licht en warmte. Echter, dit leidt tot een hoog stroomverbruik en vereist complexe regelcircuits.

Onderzoekers van twee verschillende afdelingen van de Technische Universiteit Eindhoven hebben een nieuwe en niet-traditionele op polymeren gebaseerde aanpak ontwikkeld die de programmeertijd aanzienlijk verkort en de programmeermogelijkheden voor PIC's vergroot. Dit zou het fabricagerendement van programmeerbare PIC's radicaal kunnen verbeteren. Het onderzoek is gepubliceerd in Geavanceerde optische materialen .

Herprogrammeerbare fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's) manipuleren het pad van gegevensdragende lichtsignalen en zijn gemaakt van materialen waarvan de brekingsindex kan worden gewijzigd. Om de signaalcontrole te maximaliseren en optische verliezen te minimaliseren, een robuuste, betrouwbare en snelle methode voor het maken van PIC's is vereist.

Met dit in gedachten, onderzoekers van de vakgroep Elektrotechniek (onder leiding van dr. Mahir Mohammed en universitair hoofddocent Oded Raz) en van de vakgroep Chemische Technologie en Chemie (onder leiding van Christian Sproncken en prof. Ilja Voets) hebben een nieuwe fabricagemethode ontwikkeld voor programmeerbare PIC's waarbij het coaten van fotonische materialen met polymeren waarvan de optische eigenschappen binnen enkele minuten op grote schaal kunnen worden aangepast met behulp van zure oplossingen met variërende pH. Dit is een nieuwe en unieke benadering voor het maken van programmeerbare PIC's, aangezien het gebruik maakt van polymeren en zure oplossingen, in plaats van fotonische materialen aan licht bloot te stellen en vervolgens de brekingseigenschappen te reguleren met behulp van warmte.

PEM-bekleding voor fotonische apparaten

Alvorens de nieuwe met polymeer beklede fotonische apparaten te fabriceren, de onderzoekers bevestigden eerst dat de optische eigenschappen van responsieve polyelektrolyt multilayer (PEM) - een materiaal dat bestaat uit een aantal PEM-lagen - omkeerbaar kunnen worden veranderd. PEM-gecoate siliciummonsters werden onderworpen aan cycli van verzuring en neutralisatie door de monsters afwisselend in oplossingen met variërende pH te dompelen. Een oplossing met een lage pH (zeer zuur) leidde tot dunne PEM-lagen met een hoge brekingsindex, terwijl oplossingen met een hogere pH (minder zuur) resulteerden in dikke PEM-lagen met een lagere brekingsindex. De afname van de brekingsindex is te wijten aan een toename van het aantal gaten (toename in porositeit) in het materiaal.

De auteurs plaatsten vervolgens een PEM-bekleding eerst geheel en vervolgens gedeeltelijk over een fotonisch apparaat. Met behulp van het cyclische verzuringsproces, ze varieerden de dikte van de bekleding (en daardoor de brekingsindex). Deze nieuwe aanpak biedt een breed scala aan controle en flexibiliteit als het gaat om het produceren van programmeerbare fotonische apparaten. belangrijk, apparaten kunnen in een kwestie van minuten worden geprogrammeerd met behulp van de aanpak. Nog indrukwekkender, de geprogrammeerde toestand is niet-vluchtig en stabiel tot 15 weken.

Stimulans voor samenwerking

De stimulans voor deze interdepartementale samenwerking kwam van Mahir Mohammed:"Ik las een paper uit 2002 van een groep in MIT die aantoonde dat de brekingsindex van PEM kan worden veranderd met behulp van zure oplossingen. We namen contact op met de CEC-afdeling en ontmoetten Ilja Voets en haar groep. De rest zoals ze zeggen is geschiedenis." Co-auteur Christian Sproncken, een doctoraat kandidaat in de Self-Organizing Soft Matter Group van Ilja Voets, dat is genoteerd, "Het was geweldig om technieken uit mijn vakgebied op een andere manier te gebruiken. Velen zullen dit zien als een niet-traditionele manier om PIC's te maken, maar we laten zien wat er mogelijk is met deze aanpak!"

Volgens Oded Raz, "Dit is een geheel nieuwe richting voor het maken van herconfigureerbare fotonica en maakt de weg vrij voor de goedkope massaproductie van herprogrammeerbare PIC's", terwijl Ilja Voets ook enthousiast was over de bevindingen:"Multidisciplinaire samenwerkingen bieden de mogelijkheid om tegelijkertijd op meerdere gebieden vooruitgang te boeken. Deze studie heeft aangetoond dat onze expertise in polymeren op een nieuwe en verfrissende manier kan worden toegepast, wat leidt tot het potentieel voor belangrijke fotonische componenten in de toekomst fotonische technologieën."