Det moderna samhället förlitar sig på teknik med elektroniska integrerade kretsar (IC) i hjärtat, men dessa kan visa sig vara mindre lämpliga i framtida applikationer som kvantberäkning och miljöavkänning. Fotoniska integrerade kretsar (PIC), den ljusbaserade motsvarigheten till elektroniska IC:er, är ett framväxande teknikfält som kan erbjuda lägre energiförbrukning, snabbare drift, och förbättrad prestanda. Dock, nuvarande PIC -tillverkningsmetoder leder till stor variation mellan tillverkade enheter, resulterar i begränsat utbyte, långa förseningar mellan den konceptuella idén och den fungerande enheten, och brist på konfigurerbarhet. Forskare vid Eindhoven tekniska universitet har tagit fram en ny process för tillverkning av PIC som tar itu med dessa kritiska frågor, genom att skapa nya omkonfigurerbara PIC på samma sätt som uppkomsten av programmerbara logiska enheter transformerade IC -produktionen på 1980 -talet.

Fotoniska integrerade kretsar (PIC)-den ljusbaserade motsvarigheten till elektroniska IC:er-överför signaler via synligt och infrarött ljus. Optiska material med justerbart brytningsindex är avgörande för omkonfigurerbara PIC -bilder eftersom de möjliggör en mer exakt manipulation av ljus som passerar genom materialen, vilket leder till bättre PIC -prestanda.

Nuvarande programmerbara PIC -koncept lider av problem som volatilitet och/eller höga optiska signalförluster - som båda påverkar materialets förmåga att behålla sitt programmerade tillstånd negativt. Med hjälp av hydrerat amorft kisel (a-Si:H), ett material som används i tunnfilms kisel solceller, och den associerade Staebler-Wronski-effekten (SWE), som beskriver hur de optiska egenskaperna hos a-Si:H kan ändras via ljusexponering eller uppvärmning, forskare vid Eindhoven tekniska universitet har utformat en ny PIC -tillverkningsprocess som tar itu med bristerna i nuvarande tekniker och kan leda till uppkomsten av universella programmerbara PIC:er.

Förbättrad PIC -avkastning

Enligt Oded Raz, Docent vid Institutionen för elektroteknik och forskningsledare för detta projekt, detta tillvägagångssätt kan vara av yttersta vikt för PIC -området. "Detta är världens första demonstration av en omkonfigurerbar PIC, där det material som valts för att göra den integrerade optiska kretsen programmeras ". Mahir Asif Mohammed noterar också att avkastningen från befintliga tillvägagångssätt för tillverkning av PIC är vanligtvis mycket låg." Vår metod kan avsevärt förbättra detta utbyte ".

Detta revolutionerande nya tillvägagångssätt skulle kunna inleda en våg av ytterligare undersökningar av omkonfigurerbara PIC och det har ytterligare fördelar. "Viktigast, i jämförelse med nuvarande metoder, tiden för prototyp är mycket kortare och mycket mer exakt ", säger Raz. "När vi fortsätter att arbeta med metoden, vi förutspår att tiden till prototyp kommer att fortsätta minska ", tillägger Mohammed.

Forskarna påpekar också att värmare kan placeras på en förljusutsatt enhet så att användaren kan programmera en PIC-enhet efter önskemål. Samma värmare kan också återställa enheten och återställa den till ett tillstånd som enkelt kan programmeras om. "Vår strategi främjar återanvändbar och hållbar användning av material", säger Mohammed.

Avgörande, som Raz påpekade, "Detta tillvägagångssätt gör att användaren enkelt kan programmera funktionaliteten hos en PIC och samtidigt korrigera för små fel i tillverkningsprocessen. Du kan bara ställa in funktionaliteten och den är där!"

Experiment

För att bedöma effektiviteten av ljusexponering och uppvärmning av a-Si:H för att justera dess optiska egenskaper, forskarna övervägde först ett proof-of-concept-experiment där de studerade förändringar i brytningsindex för ett tunt lager av a-Si:H på ett kiselsubstrat. Materialet upplevde uppvärmningscykler (i fyra timmar i mörker i kvävgasatmosfär) och lätt blötläggning (via en avstämbar laser i det nära infraröda området) behandlingar. Experimentet visade en reversibel brytningsindexförändring på cirka 0,001 - ett nyckelkrav för tillverkning av rekonfigurerbara PIC.

Därefter visade en omkonfigurerbar optisk omkopplare baserad på en mikro-ringresonator (MRR) som utsattes för cykler av ljusblötläggning och uppvärmningsbehandlingar också repeterbar reversibilitet. Och slutligen för att bättre förstå orsaken till de reversibla brytningsindexändringarna, forskarna undersökte variationer i strukturen hos ett 1-dimensionellt membran där den främsta bidragsgivaren till omkopplingstillstånden för MRR-enheten visar sig vara metastabil volymetrisk expansion.