A sociedade moderna depende de tecnologias com circuitos integrados eletrônicos (IC) em seu coração, mas estes podem se provar menos adequados em aplicações futuras, como computação quântica e sensoriamento ambiental. Circuitos integrados fotônicos (PICs), o equivalente baseado em luz de ICs eletrônicos, são um campo de tecnologia emergente que pode oferecer menor consumo de energia, operação mais rápida, e desempenho aprimorado. Contudo, os métodos atuais de fabricação de PIC levam a uma grande variabilidade entre os dispositivos fabricados, resultando em rendimento limitado, longos atrasos entre a ideia conceitual e o dispositivo de trabalho, e falta de configurabilidade. Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Eindhoven desenvolveram um novo processo para a fabricação de PICs que aborda essas questões críticas, criando novos PICs reconfiguráveis ​​da mesma maneira que o surgimento de dispositivos lógicos programáveis ​​transformou a produção de IC na década de 1980.

Circuitos integrados fotônicos (PICs) - o equivalente baseado em luz dos ICs eletrônicos - transportam sinais por meio de luz visível e infravermelha. Materiais ópticos com índice de refração ajustável são essenciais para PICs reconfiguráveis, pois permitem uma manipulação mais precisa da luz que passa pelos materiais, levando a um melhor desempenho do PIC.

Os conceitos PIC programáveis ​​atuais sofrem de problemas como volatilidade e / ou altas perdas de sinal óptico - ambos os quais afetam negativamente a capacidade de um material de manter seu estado programado. Usando silício amorfo hidrogenado (a-Si:H), um material usado em células solares de silício de filme fino, e o efeito Staebler-Wronski associado (SWE), que descreve como as propriedades ópticas de a-Si:H podem ser alteradas por meio de exposição à luz ou aquecimento, pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Eindhoven projetaram um novo processo de fabricação de PICs que aborda as deficiências das técnicas atuais e pode levar ao surgimento de PICs programáveis ​​universais.

Melhorando o rendimento do PIC

De acordo com Oded Raz, Professor Associado do Departamento de Engenharia Elétrica e líder de pesquisa para este projeto, esta abordagem pode ser de suma importância para o campo dos PICs. "Esta é a primeira demonstração mundial de um PIC reconfigurável, onde o material escolhido para fazer o circuito óptico integrado está sendo programado ". Mahir Asif Mohammed também observa que o rendimento das abordagens existentes para a fabricação de PICs é normalmente muito baixo." Nosso método pode melhorar significativamente este rendimento ".

Esta nova abordagem revolucionária pode anunciar uma onda de investigações adicionais sobre PICs reconfiguráveis ​​e tem outras vantagens. "Mais importante, em comparação com os métodos atuais, o tempo para prototipar é muito mais curto e muito mais preciso ", diz Raz. "À medida que continuamos a trabalhar no método, prevemos que o tempo para prototipar continuará a diminuir ", acrescenta Mohammed.

Os pesquisadores também apontam que os aquecedores podem ser colocados em um dispositivo pré-exposto à luz para permitir que o usuário programe um dispositivo PIC conforme desejado. Os mesmos aquecedores também podem redefinir o dispositivo e devolvê-lo a um estado que pode ser facilmente reprogramado. “Nossa abordagem promove o uso reutilizável e sustentável de materiais”, diz Mohammed.

Crucialmente, como apontado por Raz, "Esta abordagem permite ao usuário programar facilmente a funcionalidade de um PIC e, ao mesmo tempo, corrigir pequenos erros no processo de fabricação. Você pode apenas ajustar a funcionalidade e pronto!"

Experimentos

Para avaliar a eficácia da exposição à luz e aquecimento a-Si:H para ajustar suas propriedades ópticas, os pesquisadores primeiro consideraram um experimento de prova de conceito, onde estudaram as mudanças no índice de refração de uma camada fina de a-Si:H em um substrato de silício. O material passou por ciclos de aquecimento (por quatro horas no escuro em uma atmosfera de nitrogênio) e imersão em luz (por meio de um laser sintonizável na faixa do infravermelho próximo). O experimento mostrou uma alteração reversível do índice de refração de cerca de 0,001 - um requisito fundamental para a fabricação de PICs reconfiguráveis.

Em seguida, um interruptor óptico reconfigurável baseado em um ressonador de micro-anel (MRR) que foi submetido a ciclos de imersão de luz e tratamentos de aquecimento também mostrou reversibilidade repetível. E, finalmente, para entender melhor a causa das alterações reversíveis do índice de refração, os pesquisadores examinaram variações na estrutura de uma membrana unidimensional, onde o principal contribuinte para os estados de comutação do dispositivo MRR é mostrado para ser a expansão volumétrica metaestável.