De moderne samenleving vertrouwt op technologieën met elektronische geïntegreerde circuits (integrated circuits of IC’s) als kern, maar deze kunnen in de toekomst minder geschikt blijken te zijn voor toepassingen als quantum computing en omgevingsdetectie. Fotonische geïntegreerde circuits (photonic integrated circuits of PIC’s), het licht-equivalent van elektronische IC’s, zijn een opkomende technologie die een lager energieverbruik, een snellere werking en betere prestaties kan bieden. De huidige PIC-fabricagemethoden leiden echter tot grote variabiliteit tussen de gefabriceerde apparaten, wat resulteert in een beperkte opbrengst, lange vertragingen tussen het conceptuele idee en het werkende apparaat, en een gebrek aan configureerbaarheid. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben een nieuw proces bedacht voor de fabricage van PIC’s dat deze kritische kwesties aanpakt, door nieuwe herconfigureerbare PIC’s te creëren. Deze transformatie is vergelijkbaar met de manier waarop de opkomst van programmeerbare logische apparaten de productie van IC’s transformeerde in de jaren tachtig van de vorige eeuw.
Oded Raz, Associate Professor aan het Department of Electrical Engineering Fotografie Vincent van den Hoogen
Fotonische geïntegreerde circuits (PIC’s) – het op licht gebaseerde equivalent van elektronische IC’s – brengen signalen over via zichtbaar en infrarood licht. Optische materialen met een instelbare brekingsindex zijn essentieel voor herconfigureerbare PIC’s, omdat ze het mogelijk maken om het licht dat door de materialen gaat nauwkeurig te manipuleren. Dat leidt tot betere PIC-prestaties.
De huidige programmeerbare PIC-concepten hebben te lijden onder problemen zoals volatiliteit en/of hoge optische signaalverliezen – die beide een negatieve invloed hebben op het vermogen van een materiaal om zijn geprogrammeerde toestand te behouden. Met behulp van gehydrogeneerd amorf silicium (a-Si:H), een materiaal dat gebruikt wordt in dunne-film silicium zonnecellen, en het bijbehorende Staebler-Wronski effect (SWE), dat beschrijft hoe de optische eigenschappen van a-Si:H kunnen worden veranderd via blootstelling aan licht of verwarming, hebben onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven een nieuw PIC-fabricageproces ontworpen dat de tekortkomingen van de huidige technieken aanpakt. Dit kan leiden tot de opkomst van universeel programmeerbare PIC’s.
Verbetering van de PIC-opbrengst
Volgens Oded Raz, Associate Professor aan het Department of Electrical Engineering en onderzoeksleider voor dit project, zou deze aanpak van het grootste belang kunnen zijn voor het onderzoeksgebied van PICs. “Dit is de eerste demonstratie ter wereld van een herconfigureerbare PIC, waarbij het gekozen materiaal voor het maken van de geïntegreerde optische schakeling wordt geprogrammeerd.” Mahir Asif Mohammed merkt ook op dat het rendement van bestaande fabricagemethodes van PIC’s doorgaans zeer laag is. “Onze methode kan deze opbrengst aanzienlijk verbeteren.”
Mahir Asif Mohammed
Deze revolutionaire nieuwe aanpak zou een golf van verdere onderzoeken naar herconfigureerbare PIC’s kunnen inluiden en heeft nog meer voordelen. “Het belangrijkste is dat de tijd om een prototype te maken veel korter en veel nauwkeuriger is, in vergelijking met de huidige methoden,” zegt Raz. “We voorspellen dat de tijd tot het prototype zal blijven afnemen naarmate we aan de methode blijven werken, ” voegt Mohammed eraan toe.
De onderzoekers wijzen er ook op dat er verwarmers op een vooraf verlicht apparaat kunnen worden geplaatst om de gebruiker in staat te stellen een PIC-apparaat naar wens te programmeren. Dezelfde verwarmers kunnen ook het apparaat resetten en terugbrengen naar een toestand die gemakkelijk kan worden geherprogrammeerd. “Onze aanpak bevordert herbruikbaar en duurzaam gebruik van materialen,” zegt Mohammed.
Zoals Raz al aangaf: “Cruciaal is dat deze aanpak de gebruiker in staat stelt om de functionaliteit van een PIC eenvoudig te programmeren en tegelijkertijd kleine fouten in het fabricageproces te corrigeren. Je stelt gewoon de functionaliteit af en je bent er!”
Experimenten
Om de effectiviteit van de blootstelling aan licht en verwarming van a-Si:H te beoordelen, als het gaat om het afstemmen van de optische eigenschappen, overwogen de onderzoekers eerst een proof-of-concept experiment. Hierbij bestudeerden ze veranderingen in de brekingsindex van een dunne laag a-Si:H op een siliciumsubstraat. Het materiaal onderging cycli van verwarming (gedurende vier uur in het donker in een stikstofatmosfeer) en lichtbehandelingen (via een afstembare laser in het nabij-infraroodbereik). Het experiment toonde een omkeerbare brekingsindexverandering van ongeveer 0,001 – een belangrijke vereiste voor de vervaardiging van herconfigureerbare PIC’s.
Vervolgens liet ook een herconfigureerbare optische schakelaar op basis van een micro-ringresonator (MRR) een herhaalbare omkeerbaarheid zien bij het ondergaan van cycli van licht- en warmtebehandelingen. En om tenslotte de oorzaak van de omkeerbare refractie-indexveranderingen beter te begrijpen, onderzochten de onderzoekers variaties in de structuur van een 1-dimensionaal membraan, waarbij de belangrijkste bijdrage aan de schakeltoestanden van het MRR-apparaat metastabiele volumetrische uitzetting blijkt te zijn.
Mohammed et al., “Metastable Refractive Index Manipulation in Hydrogenated Amorphous Silicon for Reconfigurable Photonics“, Advanced Optical Materials (2020)
