Forskare har utvecklat ett mycket exakt sätt att montera flera optiska enheter i mikronskala extremt nära varandra på ett enda chip. Det nya tillvägagångssättet skulle en dag kunna tillåta storvolymtillverkning av chipbaserade optiska system som skulle möjliggöra mer kompakta optiska kommunikationsenheter och avancerade bildapparater.

"Utvecklingen av elektronik som är baserad på kiseltransistorer har möjliggjort allt mer kraftfulla och flexibla system på ett chip, " Dimitars Jevtics från University of Strathclyde i Storbritannien. "Optiska system på ett chip, dock, kräver integration av olika material på ett enda chip och, därför, har inte sett samma skalautveckling som kiselelektronik."

I tidskriften Optica Publishing Group Optical Materials Express , Jevtics och kollegor beskriver sin nya transfertryckprocess och demonstrerar dess förmåga att placera enheter gjorda av flera material på ett enda chip, allt integrerat i ett fotavtryck som i storlek liknar själva enheterna. Medan andra metoder vanligtvis är begränsade till ett enda material, detta nya tillvägagångssätt ger en verktygslåda med material från vilka framtida systemdesigners kan dra.

"Optisk kommunikation på chip, till exempel, kommer att kräva montering av optiska källor, kanaler och detektorer på underenheter som kan integreras med silikonchips, ", sa Jevtics. "Vår transfertryckprocess kan skalas upp för att integrera tusentals enheter gjorda av olika material på en enda wafer. Detta skulle göra det möjligt för mikronskaliga optiska enheter att integreras i framtida datorchips för högdensitetskommunikation eller i bioavkänningsplattformar för laboratorier på ett chip."

Ett bättre sätt att välja och placera

En av de största utmaningarna för att montera flera enheter på ett chip är att försöka placera dem väldigt nära varandra utan att störa enheter som redan finns på chipet. För att åstadkomma detta, forskarna utvecklade en metod baserad på reversibel vidhäftning där en enhet plockas upp och frigörs från sitt växtsubstrat och placeras på en ny yta.

Den nya metoden använder en mjuk polymerstämpel monterad på ett robotstyrt rörelsestyrningssteg för att plocka upp en optisk enhet från substratet som den gjordes på. Substratet som det kommer att placeras på placeras sedan under den upphängda enheten och justeras noggrant med hjälp av ett mikroskop. När den väl är inriktad, de två ytorna bringas i kontakt, som frigör anordningen från polymerstämpeln och avsätter den på målytan. Framsteg inom exakt mikromonteringsrobotik, nanotillverkningstekniker och mikroskopisk bildbehandling bidrog till att göra detta tillvägagångssätt möjligt.

"Genom att noggrant utforma stämpelns geometri för att matcha enheten och kontrollera polymermaterialets klibbighet, vi kan konstruera om en enhet ska hämtas eller släppas, " sa Jevtics. "När optimerad, denna process orsakar ingen skada och kan skalas upp med hjälp av automatisering för att vara kompatibel med tillverkning i wafer-skala."

Skapar ett tätt packat chip

För att demonstrera den nya tekniken, forskarna integrerade aluminium galliumarsenid, optiska diamant- och galliumnitridresonatorer på ett enda chip. Dessa optiska resonatorer uppvisade god optisk överföring, visar att integrationen fungerade bra.

De använde också utskriftsmetoden för att skapa halvledar nanotrådslasrar genom att placera nanotrådar på värdytor i rumsligt täta arrangemang. Skanning av elektroniska mikroskopimätningar av separationen mellan nanotrådarna visade en rumslig noggrannhet inom 100 nanometerområdet. Genom att placera halvledar nanotrådar på kiseldioxid, de kunde skapa ett nanolasersystem med flera våglängder.

"Som tillverkningsteknik, denna utskriftsmetod är inte begränsad till optiska enheter, ", sa Jevtics. "Vi hoppas att elektronikspecialister också kommer att se möjligheter för hur det skulle kunna tillämpas i framtida system."

Som nästa steg, forskarna arbetar med att replikera dessa resultat med ett större antal enheter för att visa att det fungerar i större skala. De vill också kombinera sin metod för transfertryck med en automatiserad uppriktningsteknik som de utvecklat tidigare för att möjliggöra snabb mätning, val och överföring av hundratals isolerade enheter för applikationer inom bildbehandling och hybridoptiska kretsar.