La sociedad moderna se basa en tecnologías con circuitos integrados electrónicos (IC) en su corazón, pero estos pueden resultar menos adecuados en aplicaciones futuras como la computación cuántica y la detección ambiental. Circuitos integrados fotónicos (PIC), el equivalente basado en la luz de los circuitos integrados electrónicos, son un campo tecnológico emergente que puede ofrecer un menor consumo de energía, operación más rápida, y rendimiento mejorado. Sin embargo, Los métodos actuales de fabricación de PIC conducen a una gran variabilidad entre los dispositivos fabricados, resultando en un rendimiento limitado, grandes retrasos entre la idea conceptual y el dispositivo de trabajo, y falta de configurabilidad. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven han ideado un nuevo proceso para la fabricación de PIC que aborda estos problemas críticos, mediante la creación de nuevos PIC reconfigurables de la misma manera que la aparición de dispositivos lógicos programables transformó la producción de circuitos integrados en la década de 1980.

Los circuitos integrados fotónicos (PIC), el equivalente basado en la luz de los circuitos integrados electrónicos, transportan señales a través de luz visible e infrarroja. Los materiales ópticos con índice de refracción ajustable son esenciales para los PIC reconfigurables, ya que permiten una manipulación más precisa de la luz que pasa a través de los materiales. conduciendo a un mejor rendimiento de PIC.

Los conceptos actuales de PIC programables sufren problemas como volatilidad y / o pérdidas elevadas de señal óptica, las cuales afectan negativamente la capacidad de un material para mantener su estado programado. Usando silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H), un material utilizado en células solares de silicio de película delgada, y el efecto asociado Staebler-Wronski (SWE), que describe cómo se pueden cambiar las propiedades ópticas de a-Si:H mediante exposición a la luz o calentamiento, Los investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven han diseñado un nuevo proceso de fabricación de PIC que aborda las deficiencias de las técnicas actuales y podría conducir al surgimiento de PIC programables universales.

Mejora del rendimiento de PIC

Según Oded Raz, Profesor asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica y líder de investigación de este proyecto, este enfoque podría ser de suma importancia para el campo de los CFP. "Esta es la primera demostración en el mundo de un PIC reconfigurable, donde se está programando el material elegido para hacer el circuito óptico integrado ". Mahir Asif Mohammed también señala que el rendimiento de los enfoques existentes para la fabricación de PIC es típicamente muy bajo." Nuestro método puede mejorar significativamente este rendimiento ".

Este nuevo enfoque revolucionario podría presagiar una ola de investigaciones adicionales sobre PIC reconfigurables y tiene más ventajas. "Más importante, en comparación con los métodos actuales, el tiempo para crear prototipos es mucho más corto y mucho más preciso ", dice Raz. "A medida que continuamos trabajando en el método, predecimos que el tiempo de creación de prototipos seguirá disminuyendo ", añade Mohammed.

Los investigadores también señalan que los calentadores se pueden colocar en un dispositivo expuesto a la luz previa para permitir al usuario programar un dispositivo PIC como desee. Los mismos calentadores también pueden restablecer el dispositivo y devolverlo a un estado que se puede reprogramar fácilmente. "Nuestro enfoque promueve el uso sostenible y reutilizable de materiales", dice Mohammed.

Crucialmente, como lo señaló Raz, "Este enfoque permite al usuario programar fácilmente la funcionalidad de un PIC y corregir simultáneamente pequeños errores en el proceso de fabricación. ¡Simplemente puede ajustar la funcionalidad y ya está!"

Experimentos

Para evaluar la efectividad de la exposición a la luz y el calentamiento de a-Si:H para ajustar sus propiedades ópticas, los investigadores primero consideraron un experimento de prueba de concepto en el que estudiaron los cambios en el índice de refracción de una capa delgada de a-Si:H sobre un sustrato de silicio. El material experimentó ciclos de tratamientos de calentamiento (durante cuatro horas en la oscuridad en una atmósfera de nitrógeno) y de remojo de luz (a través de un láser sintonizable en el rango del infrarrojo cercano). El experimento mostró un cambio del índice de refracción reversible de aproximadamente 0,001, un requisito clave para la fabricación de PIC reconfigurables.

A continuación, un interruptor óptico reconfigurable basado en un resonador de micro-anillo (MRR) que fue sometido a ciclos de tratamientos de calentamiento y remojo de luz también mostró reversibilidad repetible. Y finalmente, para comprender mejor la causa de los cambios reversibles del índice de refracción, los investigadores examinaron variaciones en la estructura de una membrana unidimensional donde se muestra que el principal contribuyente a los estados de conmutación del dispositivo MRR es la expansión volumétrica metaestable.