Os circuitos integrados fotônicos são uma importante tecnologia da próxima onda. Estes microchips sofisticados têm o potencial de reduzir substancialmente os custos e aumentar a velocidade e a eficiência dos dispositivos eletrónicos numa vasta gama de áreas de aplicação, incluindo tecnologia automóvel, comunicações, cuidados de saúde, armazenamento de dados e computação para inteligência artificial.



Os circuitos fotônicos usam fótons, partículas fundamentais de luz, para mover, armazenar e acessar informações da mesma forma que os circuitos eletrônicos convencionais usam elétrons para essa finalidade. Os chips fotônicos já estão em uso hoje em sistemas avançados de comunicação de fibra óptica e estão sendo desenvolvidos para implementação em um amplo espectro de tecnologias de futuro próximo, incluindo detecção e alcance de luz, ou LiDAR, para veículos autônomos; sensores baseados em luz para dispositivos médicos; Redes de comunicação 5G e 6G; e computação óptica e quântica.

Dada a ampla gama de utilizações existentes e futuras dos circuitos integrados fotônicos, o acesso a equipamentos que possam fabricar projetos de chips para estudo, pesquisa e aplicações industriais também é importante. No entanto, as atuais instalações de nanofabricação custam milhões de dólares para serem construídas e estão muito além do alcance de muitas faculdades, universidades e laboratórios de pesquisa.

Para aqueles que podem acessar uma instalação de nanofabricação, pelo menos um dia deve ser reservado para o exigente e demorado processo litográfico usado para fabricar esses microchips. Além disso, se for cometido um erro de projeto ou se o chip não funcionar corretamente por algum outro motivo, o circuito defeituoso deverá ser descartado, o projeto ajustado e um novo chip fabricado. Isso geralmente resulta em dias ou até semanas passados ​​na sala limpa.

Mas agora, conforme descrito em um novo artigo na Science Advances , uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Washington desenvolveu uma maneira de contornar instalações caras de nanofabricação e produzir circuitos integrados fotônicos em quase qualquer lugar.

A equipe desenvolveu um método inovador no qual esses circuitos podem ser escritos, apagados e modificados por um gravador a laser em uma película fina de material de mudança de fase semelhante ao usado para CDs e DVDs graváveis. Este novo processo permite que circuitos integrados fotônicos sejam construídos e reconfigurados em uma fração do tempo que levaria em um laboratório de nanofabricação.

A equipe multiuniversitária foi liderada pelo professor de física e engenharia elétrica e de computação da UW, Mo Li, que é presidente associado de pesquisa do departamento, membro do Instituto de Sistemas de Nanoengenharia e autor sênior do artigo.

"A tecnologia fotônica está no horizonte; portanto, precisamos treinar ou educar nossos alunos nesta área. Mas para que os alunos estudem e tenham experiência prática com circuitos fotônicos, atualmente, eles precisam de acesso a uma instalação multimilionária", Li disse.

"Esta nova tecnologia resolve esse problema. Usando nosso método, circuitos fotônicos que antes tinham que ser fabricados em instalações caras e de difícil acesso agora podem ser impressos e reconfigurados em laboratórios, salas de aula e até oficinas de garagem, por um processo rápido e baixo. -dispositivo de custo aproximadamente do tamanho de uma impressora a laser de mesa convencional."

Benefícios para estudantes, pesquisadores e indústria

Os estudantes não são os únicos que se beneficiam desta nova forma de criar circuitos integrados fotônicos. Para os pesquisadores, esse avanço permitirá um tempo de resposta muito mais rápido para prototipagem e teste de uma nova ideia antes de reservar um tempo valioso em uma instalação de nanofabricação.

E para aplicações industriais, uma grande vantagem deste método de produção de circuitos integrados fotônicos é a reconfigurabilidade. Por exemplo, as empresas poderiam utilizar esta tecnologia para criar ligações ópticas reconfiguráveis ​​em centros de dados, especialmente em sistemas que suportam inteligência artificial e aprendizagem automática, o que levaria a poupanças de custos e eficiências de produção.

A equipe de pesquisa de Li incluiu o estudante de graduação da UW ECE, Changming Wu, que é o autor principal do artigo, e, junto com Li, teve a ideia para esta nova forma de construir circuitos integrados fotônicos. O estudante de graduação da UW ECE, Haoqin Deng, também contribuiu para o esforço. Seu trabalho é o resultado mais recente de uma linha de pesquisa de seis anos na UW que inclui avanços na computação óptica. É também uma continuação de uma colaboração produtiva com os professores Ichiro Takeuchi e Carlos A. Ríos Ocampo e seus alunos da Universidade de Maryland.

"Ser capaz de escrever um circuito fotônico completo usando apenas uma única etapa, sem um processo de fabricação complicado, é realmente emocionante. E o fato de podermos fazer qualquer modificação em qualquer parte do circuito em nosso próprio laboratório e reescrevê-lo e refazê-lo é incrível", disse Wu. "É uma questão de minutos em vez de um processo que leva um dia inteiro. É um grande alívio poder concluir todo o processo de fabricação em poucos minutos, em vez do que geralmente leva vários dias ou até mesmo uma semana."

Melhorando o desempenho, construindo um dispositivo comercial

Foi comprovado que o método desenvolvido pela equipe funciona, mas ainda é um conceito em estágio inicial. No entanto, Li entrou com um pedido de patente provisória e tem planos em andamento para construir um gravador a laser de mesa para circuitos integrados fotônicos. Esta impressora poderia ser vendida a um preço acessível e amplamente distribuída para laboratórios de pesquisa e instituições educacionais em todo o mundo. Ele também está colaborando com líderes da indústria para promover possíveis aplicações desta nova tecnologia em chips fotônicos programáveis ​​e redes ópticas reconfiguráveis.

Esta impressora a laser para chips fotônicos usará um sistema de preparação que moverá o substrato de maneira muito mais precisa do que uma impressora de mesa tradicional. A equipe buscará maneiras de otimizar seu desempenho enquanto constrói um protótipo. Eles também trabalharão na redução da perda óptica no material de mudança de fase que estão usando por meio de pesquisas adicionais em ciência de materiais e técnicas de escrita a laser. Isso permitirá que a impressora produza circuitos ainda mais detalhados e sofisticados do que é possível atualmente.

Li disse que ele e sua equipe de pesquisa estavam muito entusiasmados com o que estava por vir.

"Essa tecnologia pode criar o circuito fotônico que você deseja, mas também pode ser adicionada a circuitos eletrônicos já existentes. E por ser reconfigurável e reutilizável, abre muitas possibilidades para estudantes, pesquisadores e indústria", disse Li. "O que é mais emocionante para mim é que teremos potencialmente um enorme impacto no campo da fotônica na disseminação desta nova ferramenta e tecnologia para a comunidade de pesquisa mais ampla."

Mais informações: Changming Wu et al, Circuitos integrados fotônicos regraváveis ​​e de gravação direta de forma livre em filmes finos de mudança de fase, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk1361
Informações do diário: Avanços da Ciência

Fornecido pela Universidade de Washington