ICT mais rápida e com maior eficiência energética ou sensores para detectar qualquer coisa entre o início da podridão da fruta e rachaduras microscópicas nas fibras de vidro:a tecnologia fotônica traz grandes promessas para o futuro. Para cumprir essas promessas, um consórcio europeu liderado por pesquisadores da TU/e ​​dá o próximo passo. O projeto INSPIRE usa um novo método de impressão para permitir a fabricação em massa de chips fotônicos híbridos. Estes combinam múltiplas tecnologias para criar novas possibilidades de aplicações.
Nas últimas décadas, uma infinidade de tecnologias foi desenvolvida para produzir dispositivos minúsculos que geram, detectam, processam e transportam luz. As aplicações desses chips fotônicos vão desde sensores para monitorar a qualidade dos alimentos até componentes que permitem a comunicação eficiente de dados em banda larga.

"Basicamente, os chips fotônicos atuais vêm principalmente em três sabores", ensina Martijn Heck, professor de Integração Fotônica e coordenador do projeto INSPIRE. "Eles são baseados em silício, nitreto de silício ou fosfeto de índio. Na TU/e ​​somos especialistas neste último."

Cada um dos materiais fotônicos usados ​​atualmente vem com seus próprios prós e contras. O silício, e especialmente o nitreto de silício, pode ser usado para transportar luz no chip com baixas perdas. E como o material forma a base da atual indústria de semicondutores, os chips à base de silício podem ser produzidos com as técnicas de fabricação de semicondutores existentes.

No entanto, o silício tem uma grande desvantagem:não pode gerar luz. Então, se você precisar de um laser, terá que recorrer a algum outro material. E é aí que entra o fosforeto de índio.

Para um processo de produção industrial viável

Heck:"No fosforeto de índio, somos capazes de fazer componentes ativos, como lasers e amplificadores, enquanto a fotônica baseada em nitreto de silício é muito mais eficiente em guiar a luz. Para muitas aplicações, um dispositivo ideal consistiria em ambos os materiais."

Tecnicamente, já é possível colocar dispositivos de fosforeto de índio em cima de guias de onda à base de silício. No entanto, o processo atual não é adequado para fabricação em volume, diz Luc Augustin, CTO da SMART photonics, uma fundição envolvida no projeto.

"Com este projeto queremos investigar as possibilidades de escalar e imprimir colunas inteiras de dispositivos de uma só vez. Tanto os wafers de fosfeto de índio quanto de nitreto de silício podem ser produzidos em grandes volumes, onde cada wafer contém milhares de dispositivos fotônicos. Se juntarmos os dois materiais, temos que fazer chip por chip. Isso pode funcionar bem em um ambiente de laboratório, mas não chega nem perto de um processo de produção viável para a indústria."

O projeto INSPIRE visa resolver esse problema e combinar vários materiais de forma escalável, robusta e econômica. Heck:"Neste projeto, reunimos três tecnologias separadas e maduras:usamos a impressão de microtransferência, fornecida pela X-Celeprint, para imprimir vários dispositivos de fosforeto de índio feitos pela SMART photonics em cima de wafers de nitreto de silício produzidos no imec".

"A técnica de impressão já demonstrou funcionar em um único nível de dispositivo no laboratório. Com este projeto, queremos investigar as possibilidades de escalar e imprimir colunas inteiras de dispositivos de uma só vez", acrescenta o cientista líder do INSPIRE, Yuqing Jiao.

Como fazer um bolo em camadas

A receita é a seguinte:um wafer de nitreto de silício contendo os componentes passivos do chip final é produzido com uma camada superior extremamente plana e limpa. Para o fosforeto de índio, primeiro uma chamada camada de liberação de material é cultivada. Este é coberto com a camada de fosforeto de índio contendo os componentes ativos, como lasers, amplificadores ópticos ou fotodetectores.

A camada de liberação por baixo é então gravada, deixando para trás uma série de âncoras muito pequenas que mantêm os dispositivos separados no lugar. Em seguida, o cupom fino de fosforeto de índio é recolhido, as âncoras são quebradas e o fosforeto de índio como um todo é essencialmente estampado no topo do nitreto de silício. Desde que a interface entre as duas camadas seja lisa o suficiente, uma camada ultrafina de adesivo é suficiente para fixar permanentemente o cupom ao wafer.

"Como a camada de liberação é feita de material que já usamos em nossos processos de fabricação, essa camada não afetará o desempenho e a fabricação do dispositivo", diz Augustin, da SMART Photonics. "A parte desafiadora será acertar a parte de gravação, para garantir que realmente transferimos todos os dispositivos individuais do wafer e retemos sua funcionalidade completa".

Jiao acrescenta:"Outro desafio é encontrar uma maneira inteligente de posicionar com precisão os 'selos'. Precisamos que os dispositivos de fosfeto de índio sejam colocados em cima de seus equivalentes de nitreto de silício com uma precisão de menos de um micrômetro por dispositivo. E, finalmente, precisamos atingir essa precisão para dezenas de milhares de dispositivos de uma só vez."

Três casos de uso

Para demonstrar o poder da tecnologia híbrida resultante, dentro do projeto serão explorados três casos de uso dedicados. A primeira é uma leitura de detecção de fibra distribuída, proposta pelo parceiro do projeto Thales. Eles precisam de um sistema que possa detectar falhas em grandes estruturas, como edifícios e pontes, com o auxílio de fibras ópticas.

Essa tecnologia oferece medições contínuas, em tempo real e precisas de mudanças estruturais em toda a estrutura, mesmo em áreas não acessíveis a operadores humanos. Jiao explica:"Um pulso de laser é enviado para a fibra. Sempre que há uma falha na estrutura, isso se traduz em uma falha na fibra, por exemplo, uma torção ou uma fratura".

"Como resultado disso, ocorrerão reflexões. Dependendo da localização e da natureza da falha, a intensidade e a fase da luz refletida mudarão. Ao analisar essas reflexões, pode-se determinar o que aconteceu e onde."

Esta aplicação prevista é muito exigente em termos de especificações técnicas, acrescenta Heck. "Para fazer isso corretamente com fotônica integrada, precisaremos de um laser de muito baixo ruído. Além disso, como os sinais que queremos medir não terão uma intensidade muito alta, também precisamos obter uma detecção de baixo ruído e alta resolução. exatamente essa combinação de requisitos onde a tecnologia híbrida pode fazer a diferença."

Um segundo caso de uso é sobre fotônica de micro-ondas, que é usada, por exemplo, em comunicação sem fio. Também aqui, a Thales está envolvida como usuário final. Jiao:"Para comunicação sem fio, quanto maior a frequência, menor a cobertura. Então, quando você sobe de 4G para 5G ou 6G, você precisa de mais estações base. usar fibras ópticas."

"No projeto INSPIRE, estamos construindo um gerador de pulsos que codifica a informação do sinal sem fio em um sinal fotônico de micro-ondas para alimentar as fibras. Essa tecnologia é, por exemplo, muito útil para aplicações de radar militar. para transportar o sinal pelo ar, a perda de energia é reduzida e a conexão é mais difícil de ser hackeada pelos inimigos."

O terceiro caso de uso, um switch óptico para reduzir o consumo de energia de data centers, explorado em conjunto com a Universidade de Cambridge, é mais tradicional do ponto de vista fotônico, comenta Augustin. "Os datacenters atuais são todos fotônicos. Os datacenters e as telecomunicações compreendem atualmente cerca de oitenta por cento do nosso mercado."

O desafio é criar novos designs para switches totalmente ópticos que possam alternar simultaneamente grandes quantidades de dados, diz Heck. "Temos que alternar muitas entradas com muitas saídas e com baixas perdas. Na prática, isso significa que temos que lidar com uma infinidade de guias de onda e interruptores cruzados baseados em elementos ativos onde precisamos evitar diafonia térmica."

"Como o objetivo é um dispositivo totalmente integrado com apenas uma interface para entradas de fibra e outra para saídas, precisamos encontrar maneiras de integrar centenas de amplificadores ópticos, moduladores de fase e divisores de guia de onda em um único chip, enquanto lidamos com o calor que eles Se pudermos demonstrar que esta técnica de impressão permite a produção em larga escala de chips híbridos, isso abrirá muitas novas oportunidades para explorar novos mercados", acrescenta Jiao.

Novas oportunidades

Além desses três casos de uso, Jiao e Heck também estão contemplando um quarto:processadores quânticos ópticos. Heck:"Embora seja mais um nicho de mercado, aplicativos como fontes de fótons únicos ou detectores para tecnologia quântica certamente poderiam ser um caso de uso interessante. Seria ótimo se pudéssemos estabelecer o fosforeto de índio como uma tecnologia de plataforma para comunicação quântica ou mesmo Isso também se encaixaria muito bem com a missão do nosso recém-criado Eindhoven Hendrik Casimir Institute, de reunir eletrônica, fotônica e tecnologia quântica."

Além disso, Augustin já está pensando além do projeto. "INSPIRE é o próximo passo na integração fotônica. Em todo o mundo, as pessoas estão procurando maneiras de combinar diferentes materiais em um único chip para adicionar novas funcionalidades. A técnica de impressão explorada neste projeto é uma nova direção única e muito promissora para fazer isto."

"Como SMART Photonics, desenvolvemos tecnologias genéricas. Se pudermos demonstrar que essa técnica de impressão permite a produção em larga escala de chips híbridos, isso abrirá muitas novas oportunidades para explorar novos mercados. Por exemplo, se pudermos imprimir um material fotônico em cima do outro, provavelmente também podemos imprimir fotônica em cima de eletrônica, ou em cima de microfluídica para biossensores. Embora o projeto INSPIRE seja de natureza bastante exploratória e as metas sejam muito ambiciosas, nosso consórcio compreende todos os jogadores necessários para fazer disso um sucesso." + Explorar mais

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