Fotoniska integrerade kretsar är en viktig nästa-vågsteknologi. Dessa sofistikerade mikrochips har potentialen att avsevärt minska kostnaderna och öka hastigheten och effektiviteten för elektroniska enheter inom ett brett spektrum av applikationsområden, inklusive fordonsteknik, kommunikation, hälsovård, datalagring och datorer för artificiell intelligens.
Fotoniska kretsar använder fotoner, grundläggande ljuspartiklar, för att flytta, lagra och komma åt information på ungefär samma sätt som konventionella elektroniska kretsar använder elektroner för detta ändamål. Fotoniska kretsar används redan idag i avancerade fiberoptiska kommunikationssystem, och de utvecklas för implementering i ett brett spektrum av nära framtidsteknologier, inklusive ljusdetektion och avstånd, eller LiDAR, för autonoma fordon; ljusbaserade sensorer för medicinska anordningar; 5G och 6G kommunikationsnätverk; och optisk och kvantberäkning.
Med tanke på det breda utbudet av befintliga och framtida användningar för fotoniska integrerade kretsar är tillgång till utrustning som kan tillverka chipdesigner för studier, forskning och industriella tillämpningar också viktig. Men dagens nanotillverkningsanläggningar kostar miljontals dollar att bygga och är långt bortom räckhåll för många högskolor, universitet och forskningslabb.
För dem som har tillgång till en nanotillverkningsanläggning måste minst en dag reserveras för den krävande och tidskrävande litografiska processen som används för att tillverka dessa mikrochips. Utöver det, om ett fel görs i designen, eller om chippet inte fungerar korrekt av någon annan anledning, måste den felaktiga kretsen kasseras, designen justeras och ett nytt chip tillverkas. Detta resulterar ofta i dagar eller till och med veckor i renrummet.
Men nu, som beskrivs i en ny artikel i Science Advances , har en forskargrupp ledd av University of Washington utarbetat ett sätt att kringgå dyra nanotillverkningsanläggningar och producera fotoniska integrerade kretsar nästan var som helst.
Teamet har utvecklat en innovativ metod där dessa kretsar kan skrivas, raderas och modifieras av en laserskrivare till en tunn film av fasförändringsmaterial liknande det som används för inspelningsbara CD- och DVD-skivor. Denna nya process gör att fotoniska integrerade kretsar kan konstrueras och omkonfigureras på en bråkdel av den tid det skulle ta vid ett nanotillverkningslaboratorium.
Teamet för flera universitet leddes av professorn Mo Li från UW:s elektro- och datorteknik och fysik, som är avdelningens biträdande ordförande för forskning, en medlem av Institutet för Nano-Engineered Systems och uppsatsens seniorförfattare.
"Fotonikteknik är vid horisonten; därför måste vi utbilda eller utbilda våra studenter inom detta område. Men för att studenter ska kunna studera och ha praktisk erfarenhet av fotoniska kretsar behöver de för närvarande tillgång till en anläggning för flera miljoner dollar," sa Li.
"Denna nya teknik löser det problemet. Med vår metod kan fotoniska kretsar som tidigare behövdes tillverkas i dyra och svåråtkomliga anläggningar nu skrivas ut och omkonfigureras i laboratorier, klassrum och till och med garageverkstäder, med en snabb, låg -kostnadsenhet ungefär lika stor som en vanlig stationär laserskrivare."
Studenter är inte de enda som kan dra nytta av detta nya sätt att skapa fotoniska integrerade kretsar. För forskare kommer detta framsteg att möjliggöra en mycket snabbare handläggningstid för prototyper och testa en ny idé innan du bokar värdefull tid i en nanotillverkningsanläggning.
Och för industriella tillämpningar är en stor fördel med denna metod för att producera fotoniska integrerade kretsar omkonfigurerbarhet. Till exempel skulle företag möjligen kunna använda denna teknik för att skapa omkonfigurerbara optiska anslutningar i datacenter, särskilt i system som stöder artificiell intelligens och maskininlärning, vilket skulle leda till kostnadsbesparingar och produktionseffektivitet.
Lis forskargrupp inkluderade UW ECE-studenten Changming Wu, som är huvudförfattare till uppsatsen, och tillsammans med Li kom på idén till detta nya sätt att bygga fotoniska integrerade kretsar. UW ECE-studenten Haoqin Deng bidrog också till insatsen. Deras arbete är det senaste resultatet av en sexårig forskningslinje vid UW som inkluderar framsteg inom optisk datoranvändning. Det är också en fortsättning på ett produktivt samarbete med professorerna Ichiro Takeuchi och Carlos A. Ríos Ocampo och deras studenter vid University of Maryland.
"Att kunna skriva en hel fotonisk krets med bara ett enda steg, utan en komplicerad tillverkningsprocess, är verkligen spännande. Och det faktum att vi kan göra vilken modifiering som helst av vilken del av kretsen som helst i vårt eget labb och skriva om och göra om den är fantastiskt, sa Wu. "Det är en fråga om minuter kontra en hel dagslång process. Det är en enorm lättnad att kunna avsluta hela tillverkningsprocessen inom några minuter istället för vad som ofta är flera dagar eller till och med en vecka."
Metoden som teamet utvecklat har visat sig fungera, men det är fortfarande ett tidigt stadium. Li har dock lämnat in en provisorisk patentansökan och han har planer på att bygga en stationär laserskrivare för fotoniska integrerade kretsar. Denna skrivare kunde säljas till ett överkomligt pris och distribueras till forskningslaboratorier och utbildningsinstitutioner runt om i världen. Han samarbetar också med branschledare för att främja möjliga tillämpningar av denna nya teknik i programmerbara fotoniska chips och omkonfigurerbara optiska nätverk.
Denna laserskrivare för fotoniska chips kommer att använda ett mellanlagringssystem som kommer att flytta substratet på ett mycket mer exakt sätt än i en traditionell skrivbordsskrivare. Teamet kommer att leta efter sätt att optimera sin prestanda när de bygger en prototyp. De kommer också att arbeta med att minska optisk förlust i fasförändringsmaterialet de använder genom ytterligare forskning inom materialvetenskap och laserskrivteknik. Detta kommer att göra det möjligt för skrivaren att producera ännu mer detaljerade och sofistikerade kretsar än vad som för närvarande är möjligt.
Li sa att han och hans forskargrupp var mycket spända på vad som väntade.
"Den här tekniken kan skapa de fotoniska kretsar du vill ha, men den kan också läggas till i redan existerande elektroniska kretsar. Och eftersom den är omkonfigurerbar och återanvändbar, öppnar den bara många möjligheter för studenter, forskare och industrin," sa Li. "Det som är mest spännande för mig är att vi potentiellt kommer att ha en enorm inverkan på fotonikområdet när vi sprider detta nya verktyg och teknik till det bredare forskarsamhället."
Mer information: Changming Wu et al, Freeform direktskrivande och omskrivbara fotoniska integrerade kretsar i fasförändringstunna filmer, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk1361
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av University of Washington
