Forskare har utvecklat ett nytt sätt att bygga energieffektiva och programmerbara integrerade växlingsenheter på ett kiselfotonikchip. Den nya tekniken är redo att minska produktionskostnaderna genom att tillåta en generisk optisk krets att tillverkas i bulk och sedan programmeras för specifika applikationer som kommunikationssystem, LIDAR-kretsar eller datortillämpningar.

"Silicon photonics kan integrera optiska enheter och avancerade mikroelektroniska kretsar på ett enda chip, " sa forskargruppsmedlemmen Xia Chen från University of Southampton. "Vi förväntar oss att konfigurerbara kiselfotonikkretsar avsevärt kommer att utöka tillämpningsområdet för kiselfotonik samtidigt som de minskar kostnaderna, gör denna teknik mer användbar för konsumentapplikationer. "

I tidskriften The Optical Society (OSA). Optik Express , forskare under ledning av Graham Reed demonstrerar det nya tillvägagångssättet för att växla enheter som kan användas som byggstenar för att skapa större chipbaserade, programmerbara fotoniska kretsar.

"Tekniken vi utvecklat kommer att ha ett brett utbud av applikationer, " sa Chen. "Till exempel, den kan användas för att göra integrerade avkänningsanordningar för att detektera biokemiska och medicinska ämnen samt optiska sändtagare för anslutningar som används i högpresterande datorsystem och datacenter. "

Raderbara komponenter

Det nya arbetet bygger på tidigare forskning där utredarna utvecklade en raderbar version av en optisk komponent känd som en gitterkopplare genom att implantera germaniumjoner i kisel. Dessa joner inducerar skada som ändrar kiselns brytningsindex i det området. Uppvärmning av det lokala området med hjälp av en laserglödgningsprocess kan sedan användas för att vända brytningsindexet och radera gitterkopplaren.

I Optik Express papper, forskarna beskriver hur de tillämpade samma germaniumjonimplantationsteknik för att skapa raderbara vågledare och riktningskopplare, komponenter som kan användas för att göra omkonfigurerbara kretsar och switchar. Detta är första gången som sub-mikron raderbara vågledare har skapats i kisel.

"Vi tänker normalt på jonimplantation som något som kommer att inducera stora optiska förluster i en fotonisk integrerad krets, " sade Chen. "Men, vi fann att en noggrant designad struktur och att använda rätt jonimplantationsrecept kan skapa en vågledare som bär optiska signaler med rimlig optisk förlust."

Bygga programmerbara kretsar

De demonstrerade det nya tillvägagångssättet genom att designa och tillverka vågledare, riktningskopplare och 1 X 4 och 2 X 2 omkopplingskretsar, med hjälp av University of Southamptons Cornerstone-fabrikationsgjuteri. Fotoniska enheter från olika chips testade både före och efter programmering med laserglödgning visade konsekvent prestanda.

Eftersom tekniken innebär att fysiskt ändra routingen för den fotoniska vågledaren via en engångsoperation, ingen extra ström behövs för att behålla konfigurationen när den programmeras. Forskarna har också upptäckt att elektrisk glödgning, använder en lokal integrerad värmare, såväl som laserglödgning kan användas för att programmera kretsarna.

Forskarna arbetar med ett företag som heter ficonTEC för att göra denna teknik praktisk utanför laboratoriet genom att utveckla ett sätt att tillämpa laser- och/eller elektrisk glödgningsprocess i wafer-skala, använda en konventionell wafer-prober (wafer-testmaskin), så att hundratals eller tusentals marker kan programmeras automatiskt. De arbetar för närvarande med att integrera laser- och elektriska glödgningsprocesser i en sådan prober i wafer-skala - ett instrument som finns i de flesta elektroniska-fotoniska gjuterier - som testas vid University of Southampton.