Tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) más rápidas y con mayor eficiencia energética, o sensores para detectar desde el inicio de la pudrición de la fruta hasta grietas microscópicas en las fibras de vidrio:la tecnología fotónica ofrece grandes promesas para el futuro. Para cumplir esas promesas, un consorcio europeo liderado por investigadores de TU/e ​​da el siguiente paso. El proyecto INSPIRE utiliza un método de impresión novedoso para permitir la fabricación en masa de chips fotónicos híbridos. Estos combinan múltiples tecnologías para crear nuevas posibilidades de aplicaciones.

Durante las últimas décadas, se ha desarrollado una miríada de tecnologías para producir dispositivos minúsculos que generan, detectan, procesan y transportan luz. Las aplicaciones de estos chips fotónicos van desde sensores para monitorear la calidad de los alimentos hasta componentes que permiten una comunicación de datos de banda ancha eficiente.

"Básicamente, los chips fotónicos actuales vienen principalmente en tres sabores", explica Martijn Heck, profesor de integración fotónica y coordinador del proyecto INSPIRE. "Se basan en silicio, nitruro de silicio o fosfuro de indio. En TU/e ​​somos expertos en este último".

Cada uno de los materiales fotónicos utilizados actualmente tiene sus pros y sus contras. El silicio, y especialmente el nitruro de silicio, se puede utilizar para transportar luz en el chip con bajas pérdidas. Y dado que el material constituye la base de la industria de semiconductores actual, los chips a base de silicio se pueden producir con las técnicas de fabricación de semiconductores existentes.

Sin embargo, el silicio tiene una gran desventaja:no puede generar luz. Entonces, si necesita un láser, tendrá que recurrir a algún otro material. Y ahí es donde entra en juego el fosfuro de indio.

Hacia un proceso productivo industrial viable

Diablos:"En fosfuro de indio podemos fabricar componentes activos como láseres y amplificadores, mientras que la fotónica basada en nitruro de silicio es mucho más eficiente para guiar la luz. Para muchas aplicaciones, un dispositivo óptimo consistiría en ambos materiales".

Técnicamente, ya es posible colocar dispositivos de fosfuro de indio sobre guías de ondas basadas en silicio. Sin embargo, el proceso actual no es adecuado para la fabricación en volumen, dice Luc Augustin, CTO de SMART photonics, una fundición involucrada en el proyecto.

"Con este proyecto queremos investigar las posibilidades de escalar e imprimir columnas enteras de dispositivos a la vez. Tanto las obleas de fosfuro de indio como las de nitruro de silicio se pueden producir en grandes volúmenes, donde cada oblea contiene miles de dispositivos fotónicos. Pero cuando queremos poner ambos materiales juntos, tenemos que hacer eso chip por chip. Eso podría funcionar bien en un entorno de laboratorio, pero no es un proceso de producción viable para la industria".

El proyecto INSPIRE tiene como objetivo resolver ese problema y combinar múltiples materiales de una manera escalable, robusta y rentable. Heck:"En este proyecto, reunimos tres tecnologías maduras separadas:usamos la impresión por microtransferencia, entregada por X-Celeprint, para imprimir múltiples dispositivos de fosfuro de indio fabricados por SMART photonics sobre obleas de nitruro de silicio producidas en imec".

"Ya se ha demostrado que la técnica de impresión funciona en un solo dispositivo en el laboratorio. Con este proyecto queremos investigar las posibilidades de escalar e imprimir columnas completas de dispositivos a la vez", agrega el científico principal de INSPIRE, Yuqing Jiao.

Cómo hornear un pastel en capas

La receta es la siguiente:se produce una oblea de nitruro de silicio que contiene los componentes pasivos del último chip con una capa superior extremadamente plana y limpia. Para el fosfuro de indio, primero se cultiva una llamada capa de liberación de material. Este se remata con la capa de fosfuro de indio que contiene los componentes activos como láseres, amplificadores ópticos o fotodetectores.

Luego, la capa de liberación debajo se graba, dejando una serie de anclas muy pequeñas que mantienen los dispositivos separados en su lugar. Luego se recoge el cupón delgado de fosfuro de indio, se rompen los anclajes y el fosfuro de indio como un todo se estampa esencialmente sobre el nitruro de silicio. Siempre que la interfaz entre las dos capas sea lo suficientemente suave, una capa ultrafina de adhesivo es suficiente para unir permanentemente el cupón a la oblea.

"Dado que la capa de liberación está hecha de material que ya usamos en nuestros procesos de fabricación, esta capa no afectará el rendimiento ni la fabricación del dispositivo", dice Augustin de SMART Photonics. "La parte desafiante será obtener la parte de grabado correcta, para asegurarnos de que realmente transfiramos todos los dispositivos individuales de la oblea y conservemos su funcionalidad completa".

Jiao agrega:"Otro desafío es encontrar una forma inteligente de colocar con precisión los 'sellos'. Necesitamos que los dispositivos de fosfuro de indio se coloquen encima de sus homólogos de nitruro de silicio con una precisión de menos de un micrómetro por dispositivo. Y, en última instancia, necesitamos lograr esa precisión para decenas de miles de dispositivos a la vez".

Tres casos de uso

Para demostrar el poder de la tecnología híbrida resultante, dentro del proyecto se explorarán tres casos de uso específicos. El primero es una lectura de detección de fibra distribuida, propuesta por el socio del proyecto Thales. Necesitan un sistema que pueda detectar fallas en estructuras grandes como edificios y puentes con la ayuda de fibras ópticas.

Esta tecnología ofrece mediciones continuas, en tiempo real y precisas de los cambios estructurales en toda la estructura, incluso en las áreas que no son accesibles para los operadores humanos. Jiao explica:"Se envía un pulso láser a la fibra. Cada vez que hay una falla en la estructura, esto se traduce en una falla en la fibra, por ejemplo, una torsión o una fractura".

"Como resultado de esto, se producirán reflejos. Dependiendo de la ubicación y la naturaleza de la falla, la intensidad y la fase de la luz reflejada cambiarán. Al analizar estos reflejos, se puede determinar qué sucedió y dónde".

Esta aplicación prevista es muy exigente en términos de especificaciones técnicas, agrega Heck. "Para hacer esto correctamente con la fotónica integrada, necesitaremos un láser de muy bajo ruido. Además, dado que las señales que queremos medir no tendrán una intensidad muy alta, también necesitamos lograr una detección de bajo ruido y alta resolución. Es exactamente esta combinación de requisitos donde la tecnología híbrida puede marcar la diferencia".

Un segundo caso de uso es el de la fotónica de microondas, que se utiliza, por ejemplo, en la comunicación inalámbrica. También aquí Thales participa como usuario final. Jiao:"Para la comunicación inalámbrica, cuanto mayor es la frecuencia, menor es la cobertura. Entonces, cuando pasa de 4G a 5G o 6G, necesita más estaciones base. Para enviar la señal de estación base a estación base, puede utilizan fibras ópticas".

"En el proyecto INSPIRE, estamos construyendo un generador de pulsos que codifica la información de la señal inalámbrica en una señal fotónica de microondas para alimentar las fibras. Esta tecnología es, por ejemplo, muy útil para aplicaciones de radar militar. Como no tienes para llevar la señal por el aire, se reduce la pérdida de energía y la conexión es más difícil de piratear por parte de los enemigos".

El tercer caso de uso, un interruptor óptico para reducir el consumo de energía de los centros de datos, explorado junto con la Universidad de Cambridge, es más tradicional desde una perspectiva fotónica, comenta Augustin. "Los centros de datos actuales son todos fotónicos. Actualmente, los centros de datos y las telecomunicaciones comprenden alrededor del ochenta por ciento de nuestro mercado".

El desafío allí es idear nuevos diseños para conmutadores totalmente ópticos que puedan conmutar simultáneamente cantidades masivas de datos, dice Heck. "Tenemos que conmutar muchas entradas con muchas salidas y con pocas pérdidas. En la práctica, eso significa que tenemos que lidiar con una miríada de guías de ondas cruzadas e interruptores basados ​​en elementos activos donde necesitamos evitar la diafonía térmica".

"Dado que el objetivo es un dispositivo completamente integrado con una sola interfaz para las entradas de fibra y otra para las salidas, necesitamos encontrar formas de integrar cientos de amplificadores ópticos, moduladores de fase y divisores de guía de ondas en un solo chip, al mismo tiempo que lidiamos con el calor que generan. generará. Si podemos demostrar que esta técnica de impresión permite la producción a gran escala de chips híbridos, eso abriría muchas nuevas oportunidades para explorar nuevos mercados", agrega Jiao.

Nuevas oportunidades

Además de estos tres casos de uso, Jiao y Heck también contemplan un cuarto:procesadores cuánticos ópticos. Diablos:"Aunque se trata más de un nicho de mercado, aplicaciones como fuentes de fotones individuales o detectores para tecnología cuántica sin duda podrían ser un caso de uso interesante. Sería genial si pudiéramos establecer el fosfuro de indio como una tecnología de plataforma para la comunicación cuántica o incluso la tecnología cuántica". computación. Eso también encajaría muy bien con la misión de nuestro Instituto Eindhoven Hendrik Casimir recientemente establecido, para unir la electrónica, la fotónica y la tecnología cuántica".

Además, Agustín ya está pensando más allá del proyecto. "INSPIRE es el siguiente paso en la integración fotónica. En todo el mundo, la gente está buscando formas de combinar diferentes materiales en un solo chip para agregar nuevas funcionalidades. La técnica de impresión explorada en este proyecto es una nueva dirección única y muy prometedora para hacer esto."

"Como SMART Photonics, desarrollamos tecnologías genéricas. Si podemos demostrar que esta técnica de impresión permite la producción a gran escala de chips híbridos, eso abriría muchas nuevas oportunidades para explorar nuevos mercados. Por ejemplo, si podemos imprimir uno photonic material on top of the other, we can probably also print photonics on top of electronics, or on top of microfluidics for biosensors. Though the INSPIRE project is of a rather exploratory nature and the targets are very ambitious, our consortium comprises all of the necessary players to make this a success." + Explora más

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