Onderzoekers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om energiezuinige en programmeerbare geïntegreerde schakeleenheden op een silicium-fotonica-chip te bouwen. De nieuwe technologie is klaar om de productiekosten te verlagen doordat een generiek optisch circuit in bulk kan worden vervaardigd en later kan worden geprogrammeerd voor specifieke toepassingen zoals communicatiesystemen, LIDAR-circuits of computertoepassingen.

"Siliciumfotonica is in staat om optische apparaten en geavanceerde micro-elektronische circuits allemaal op één chip te integreren, " zei Xia Chen, lid van het onderzoeksteam van de Universiteit van Southampton. "We verwachten dat configureerbare siliciumfotonicacircuits het toepassingsgebied van siliciumfotonica aanzienlijk zullen uitbreiden en tegelijkertijd de kosten zullen verlagen, waardoor deze technologie nuttiger wordt voor consumententoepassingen."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , onderzoekers onder leiding van Graham Reed demonstreren de nieuwe benadering in schakeleenheden die kunnen worden gebruikt als bouwstenen om grotere op chips gebaseerde, programmeerbare fotonische circuits.

"De technologie die we hebben ontwikkeld, zal een breed scala aan toepassingen hebben, "zei Chen. "Bijvoorbeeld, het zou kunnen worden gebruikt om geïntegreerde detectieapparatuur te maken om biochemische en medische stoffen te detecteren, evenals optische transceivers voor verbindingen die worden gebruikt in krachtige computersystemen en datacenters."

Uitwisbare componenten

Het nieuwe werk bouwt voort op eerder onderzoek waarin de onderzoekers een uitwisbare versie van een optische component ontwikkelden die bekend staat als een roosterkoppeling door germaniumionen in silicium te implanteren. Deze ionen veroorzaken schade die de brekingsindex van silicium in dat gebied verandert. Het lokale gebied verwarmen met behulp van een lasergloeiproces kan vervolgens worden gebruikt om de brekingsindex om te keren en de roosterkoppeling te wissen.

In de Optica Express papier, de onderzoekers beschrijven hoe ze dezelfde germaniumionenimplantatietechniek hebben toegepast om uitwisbare golfgeleiders en directionele koppelaars te creëren, componenten die kunnen worden gebruikt om herconfigureerbare circuits en schakelaars te maken. Dit is de eerste keer dat sub-micron uitwisbare golfgeleiders zijn gemaakt in silicium.

"Normaal denken we aan ionenimplantatie als iets dat grote optische verliezen zal veroorzaken in een fotonisch geïntegreerd circuit, "zei Chen. "Echter, we ontdekten dat een zorgvuldig ontworpen structuur en het gebruik van het juiste recept voor ionenimplantatie een golfgeleider kan creëren die optische signalen met redelijk optisch verlies draagt."

Programmeerbare circuits bouwen

Ze demonstreerden de nieuwe aanpak door golfgeleiders te ontwerpen en te fabriceren, directionele koppelingen en 1 X 4 en 2 X 2 schakelcircuits, met behulp van de Cornerstone-fabricagegieterij van de University of Southampton. Fotonische apparaten van verschillende chips die zowel voor als na het programmeren met lasergloeien werden getest, vertoonden consistente prestaties.

Omdat de techniek inhoudt dat de routering van de fotonische golfgeleider fysiek wordt gewijzigd via een eenmalige bewerking, er is geen extra stroom nodig om de configuratie te behouden wanneer deze is geprogrammeerd. De onderzoekers hebben ook ontdekt dat elektrisch gloeien, met behulp van een lokale geïntegreerde verwarming, evenals lasergloeien kan worden gebruikt om de circuits te programmeren.

De onderzoekers werken samen met een bedrijf genaamd ficonTEC om deze technologie buiten het laboratorium praktisch te maken door een manier te ontwikkelen om het laser- en/of elektrisch gloeiproces op waferschaal toe te passen, met behulp van een conventionele wafeltaster (wafeltestmachine), zodat honderden of duizenden chips automatisch konden worden geprogrammeerd. Ze werken momenteel aan de integratie van de laser- en elektrische gloeiprocessen in een dergelijke sonde op wafelschaal - een instrument dat wordt aangetroffen in de meeste elektronisch-fotonische gieterijen - die wordt getest aan de Universiteit van Southampton.