Framtiden ser ljus ut för fotoniska integrerade kretsar (PIC) eftersom de ser ut att vara avsedda för användning i kvantberäkningar och teknik för djupinlärning. Eftersom PIC:er bär ljussignaler snarare än elektriska signaler, noggrann kontroll av deras brytningsegenskaper är avgörande. Traditionella tekniker för programmering av fotoniska enheter är beroende av exponering för ljus och värme. Dock, detta leder till hög strömförbrukning och kräver komplexa styrkretsar.

Forskare från två olika institutioner vid Eindhovens tekniska universitet har utvecklat en ny och icke-traditionell polymerbaserad metod som avsevärt minskar programmeringstiden och ökar programmeringsmöjligheterna för PIC:er. Detta kan radikalt förbättra tillverkningsutbytet för programmerbara PIC:er. Forskningen har publicerats i Avancerade optiska material .

Omprogrammerbara fotoniska integrerade kretsar (PIC) manipulerar vägen för databärande ljussignaler och är gjorda av material vars brytningsindex kan ändras. För att maximera signalkontroll och minimera optiska förluster, en robust, en pålitlig och snabb metod för att göra PIC:er krävs.

Med detta i åtanke, forskare från avdelningen för elektroteknik (ledd av dr. Mahir Mohammed och docent Oded Raz) och från avdelningen för kemiteknik och kemi (ledd av Christian Sproncken och professor Ilja Voets) har utvecklat en ny tillverkningsmetod för programmerbara PIC:er som involverar beläggning av fotoniska material med polymerer vars optiska egenskaper kan justeras brett på några minuter med hjälp av sura lösningar med varierande pH. Detta är ett nytt och unikt tillvägagångssätt för att göra programmerbara PIC:er eftersom det involverar användning av polymerer och sura lösningar, snarare än att exponera fotoniska material för ljus och sedan reglera brytningsegenskaperna med hjälp av värme.

PEM-beklädnad för fotoniska enheter

Innan de nya polymerbelagda fotoniska enheterna tillverkas, forskarna bekräftade först att de optiska egenskaperna hos responsiv polyelectrolyte multilayer (PEM) – ett material som består av ett antal PEM-lager – kan ändras reversibelt. PEM-belagda kiselprover utsattes för cykler av surgöring och neutralisering genom att omväxlande doppade proverna i lösningar med varierande pH. En lösning med lågt pH (mycket sur) ledde till tunna PEM-lager med högt brytningsindex medan lösningar med högre pH (mindre sura) resulterade i tjocka PEM-lager med lägre brytningsindex. Minskningen av brytningsindex beror på en ökning av antalet hål (ökning i porositet) i materialet.

Författarna placerade sedan en PEM-beklädnad först helt och hållet och sedan delvis över en fotonisk enhet. Genom att använda den cykliska försurningsprocessen, de varierade tjockleken på beklädnaden (och som ett resultat av dess brytningsindex). Detta nya tillvägagångssätt erbjuder ett brett utbud av kontroll och flexibilitet när det gäller att producera programmerbara fotoniska enheter. Viktigt, enheter kan programmeras på några minuter med hjälp av tillvägagångssättet. Ännu mer imponerande, det programmerade tillståndet är icke-flyktigt och stabilt i upp till 15 veckor.

Stimulans för samarbete

Stimulansen för detta samarbete mellan avdelningarna kom från Mahir Mohammed:"Jag läste en artikel från 2002 från en grupp i MIT som visade att brytningsindexet för PEM kunde ändras med hjälp av sura lösningar. Vi tog kontakt med CEC-avdelningen och träffade Ilja Voets och hennes grupp. Resten som de säger är historia." Medförfattare Christian Sproncken, en doktorsexamen kandidat i Self-Organizing Soft Matter Group av Ilja Voets, noterade, "Det var fantastiskt att använda tekniker från mitt område på ett annat sätt. Många kommer att se detta som ett icke-traditionellt sätt att göra PICs, men vi visar vad som är möjligt med detta tillvägagångssätt!"

Enligt Oded Raz, "Detta är en helt ny riktning för att göra omkonfigurerbar fotonik och banar väg för lågkostnads ​​massproduktion av omprogrammerbara PICs", medan Ilja Voets också var entusiastisk över resultaten:"Multidisciplinära samarbeten ger en möjlighet att samtidigt utveckla flera områden. Denna studie har visat att vår expertis inom polymerer kan tillämpas på ett nytt och uppfriskande sätt som leder till potentialen för viktiga fotoniska komponenter i framtiden fotonisk teknik."