Los circuitos integrados fotónicos son una importante tecnología de próxima generación. Estos microchips sofisticados tienen el potencial de reducir sustancialmente los costos y aumentar la velocidad y la eficiencia de los dispositivos electrónicos en una amplia gama de áreas de aplicaciones, incluida la tecnología automotriz, las comunicaciones, la atención médica, el almacenamiento de datos y la computación para inteligencia artificial.
Los circuitos fotónicos utilizan fotones, partículas fundamentales de la luz, para mover, almacenar y acceder a información de forma muy parecida a como los circuitos electrónicos convencionales utilizan electrones para este propósito. Los chips fotónicos ya se utilizan hoy en día en sistemas avanzados de comunicación por fibra óptica y se están desarrollando para su implementación en un amplio espectro de tecnologías del futuro cercano, incluida la detección y alcance de la luz, o LiDAR, para vehículos autónomos; sensores luminosos para dispositivos médicos; Redes de comunicación 5G y 6G; y computación óptica y cuántica.
Dada la amplia gama de usos existentes y futuros de los circuitos integrados fotónicos, también es importante el acceso a equipos que puedan fabricar diseños de chips para estudio, investigación y aplicaciones industriales. Sin embargo, construir las instalaciones de nanofabricación actuales cuesta millones de dólares y están fuera del alcance de muchos colegios, universidades y laboratorios de investigación.
Para aquellos que puedan acceder a una instalación de nanofabricación, se debe reservar al menos un día para el exigente y lento proceso litográfico utilizado para fabricar estos microchips. Además de eso, si se comete un error en el diseño, o si el chip no funciona correctamente por alguna otra razón, se debe descartar el circuito defectuoso, ajustar el diseño y fabricar un nuevo chip. Esto a menudo resulta en días o incluso semanas en la sala limpia.
Pero ahora, como se describe en un nuevo artículo publicado en Science Advances , un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Washington ha ideado una forma de evitar las costosas instalaciones de nanofabricación y producir circuitos integrados fotónicos en casi cualquier lugar.
El equipo ha desarrollado un método innovador en el que estos circuitos pueden escribirse, borrarse y modificarse mediante una grabadora láser en una película delgada de material de cambio de fase similar a la que se utiliza para los CD y DVD grabables. Este nuevo proceso permite construir y reconfigurar circuitos integrados fotónicos en una fracción del tiempo que llevaría en un laboratorio de nanofabricación.
El equipo multiuniversitario fue dirigido por el profesor de Física e Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Washington, Mo Li, presidente asociado de investigación del Departamento, miembro del Instituto de Sistemas de Nanoingeniería y autor principal del artículo.
"La tecnología fotónica está en el horizonte; por lo tanto, necesitamos capacitar o educar a nuestros estudiantes en este campo. Pero para que los estudiantes estudien y tengan experiencia práctica con circuitos fotónicos, actualmente necesitan acceso a una instalación multimillonaria". dijo Li.
"Esta nueva tecnología aborda ese problema. Utilizando nuestro método, los circuitos fotónicos que antes tenían que fabricarse en instalaciones costosas y de difícil acceso ahora se pueden imprimir y reconfigurar en laboratorios, aulas e incluso talleres de garaje, mediante un proceso rápido y bajo. Dispositivo de bajo costo, aproximadamente del tamaño de una impresora láser de escritorio convencional."
Los estudiantes no son los únicos que se beneficiarán de esta nueva forma de crear circuitos integrados fotónicos. Para los investigadores, este avance permitirá un tiempo de respuesta mucho más rápido para crear prototipos y probar una nueva idea antes de reservar un tiempo valioso en una instalación de nanofabricación.
Y para aplicaciones industriales, una gran ventaja de este método para producir circuitos integrados fotónicos es la reconfigurabilidad. Por ejemplo, las empresas podrían utilizar esta tecnología para crear conexiones ópticas reconfigurables en centros de datos, especialmente en sistemas que admitan inteligencia artificial y aprendizaje automático, lo que conduciría a ahorros de costos y eficiencias de producción.
El equipo de investigación de Li incluyó al estudiante graduado de ECE de la Universidad de Washington, Changming Wu, autor principal del artículo, y, junto con Li, se le ocurrió la idea de esta novedosa forma de construir circuitos integrados fotónicos. El estudiante graduado de ECE de la Universidad de Washington, Haoqin Deng, también contribuyó al esfuerzo. Su trabajo es el último resultado de una línea de investigación de seis años en la Universidad de Washington que incluye avances en computación óptica. También es una continuación de una colaboración productiva con los profesores Ichiro Takeuchi y Carlos A. Ríos Ocampo y sus estudiantes en la Universidad de Maryland.
"Poder escribir un circuito fotónico completo usando un solo paso, sin un proceso de fabricación complicado, es realmente emocionante. Y el hecho de que podamos hacer cualquier modificación en cualquier parte del circuito en nuestro propio laboratorio y reescribirlo y rehacerlo es increíble", dijo Wu. "Es una cuestión de minutos en comparación con un proceso que dura todo un día. Es un gran alivio poder terminar todo el proceso de fabricación en unos pocos minutos en lugar de lo que suele ser varios días o incluso una semana".
Se ha demostrado que el método que desarrolló el equipo funciona, pero aún es un concepto en etapa inicial. Sin embargo, Li ha presentado una solicitud de patente provisional y tiene planes en marcha para construir un escritor láser de escritorio para circuitos integrados fotónicos. Esta impresora podría venderse a un precio asequible y distribuirse ampliamente en laboratorios de investigación e instituciones educativas de todo el mundo. También está colaborando con líderes de la industria para promover posibles aplicaciones de esta nueva tecnología en chips fotónicos programables y redes ópticas reconfigurables.
Esta impresora láser para chips fotónicos utilizará un sistema de puesta en escena que moverá el sustrato de una manera mucho más precisa que en una impresora de escritorio tradicional. El equipo buscará formas de optimizar su rendimiento mientras construyen un prototipo. También trabajarán para reducir la pérdida óptica en el material de cambio de fase que están utilizando mediante más investigaciones en ciencia de materiales y técnicas de escritura láser. Esto permitirá a la impresora producir circuitos aún más detallados y sofisticados de lo que es posible actualmente.
Li dijo que él y su equipo de investigación estaban muy entusiasmados con lo que les esperaba.
"Esta tecnología puede crear los circuitos fotónicos que desee, pero también puede agregarse a circuitos electrónicos ya existentes. Y como es reconfigurable y reutilizable, abre muchas posibilidades para los estudiantes, los investigadores y la industria", dijo Li. "Lo que es más emocionante para mí es que potencialmente tendremos un gran impacto en el campo de la fotónica al difundir esta nueva herramienta y tecnología a la comunidad de investigación en general".
Más información: Changming Wu et al, Circuitos integrados fotónicos regrabables y de escritura directa de forma libre en películas delgadas de cambio de fase, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk1361
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por la Universidad de Washington
