Uniek op polymeren gebaseerd fabricageproces voor herprogrammeerbare fotonische geïntegreerde schakelingen met lage kosten en een hogere opbrengst
TU/e onderzoekers van Electrical Engineering en Chemical Engineering & Chemistry combineren hun expertise op een innovatieve manier.
De toekomst ziet er rooskleurig uit voor fotonische geïntegreerde schakelingen oftewel photonic integrated circuits (PIC's), aangezien ze bestemd lijken om gebruikt te worden in kwantumcomputers en deep learning-technologieën. Aangezien PIC's lichtsignalen dragen in plaats van elektrische signalen, is een nauwkeurige controle van hun brekingseigenschappen essentieel. Traditionele technieken voor het programmeren van fotonische apparaten zijn afhankelijk van de blootstelling aan licht en warmte. Dit leidt echter tot een hoog stroomverbruik en vereist complexe regelcircuits. Onderzoekers van twee verschillende afdelingen van de Technische Universiteit Eindhoven hebben een nieuwe, niet-traditionele, op polymeren gebaseerde aanpak ontwikkeld die de programmeertijd aanzienlijk verkort en de programmeermogelijkheden voor PIC's vergroot. Dit zou de productieopbrengst van programmeerbare PIC's radicaal kunnen verbeteren. Het onderzoek is gepubliceerd in Advanced Optical Materials.
Herprogrammeerbare fotonisch geïntegreerde schakelingen (PIC's) manipuleren het pad van datadragende lichtsignalen en zijn gemaakt van materialen waarvan de brekingsindex kan worden gewijzigd. Om de signaalcontrole te maximaliseren en de optische verliezen te minimaliseren is een robuuste, betrouwbare en snelle methode nodig voor het maken van PIC's.
Met dit in gedachten hebben onderzoekers van de faculteit Electrical Engineering (onder leiding van dr. Mahir Mohammed en Associate Professor Oded Raz) en van de faculteit Scheikundige Technologie (onder leiding van Christian Sproncken en hoogleraar Ilja Voets) een nieuwe fabricagemethode voor programmeerbare PIC’s ontwikkeld. Hierbij worden fotonische materialen gecoat met polymeren waarvan de optische eigenschappen in enkele minuten op grote schaal kunnen worden afgestemd met behulp van zure oplossingen met een variërende pH-waarde. Dit is een nieuwe en unieke benadering voor het maken van programmeerbare PIC's, omdat hierbij gebruik wordt gemaakt van polymeren en zure oplossingen, in plaats van fotonische materialen bloot te stellen aan licht om vervolgens de brekingseigenschappen te reguleren met behulp van warmte.
PEM-coating voor fotonische apparaten
Alvorens de nieuwe polymeer-gecoate fotonische apparaten te fabriceren, bevestigden de onderzoekers eerst dat de optische eigenschappen van responsieve polyelectrolyte multilayer (PEM) - een materiaal dat bestaat uit een aantal PEM-lagen - omkeerbaar kunnen worden veranderd. PEM-gecoate silicium monsters werden onderworpen aan cycli van verzuring en neutralisatie door het afwisselend dompelen van de monsters in oplossingen van verschillende pH. Een lage pH-oplossing (zeer zuur) leidde tot dunne PEM-lagen met een hoge brekingsindex, terwijl hogere pH-oplossingen (minder zuur) resulteerde in dikke PEM-lagen met een lagere brekingsindex. De daling van de brekingsindex is te wijten aan een toename van het aantal gaten (toename van de porositeit) in het materiaal.
De onderzoekers plaatsten vervolgens een PEM-coating eerst in zijn geheel en daarna gedeeltelijk over een fotonisch apparaat. Met behulp van het cyclische verzuringsproces varieerde de dikte van de coating (en daarmee de brekingsindex). Deze nieuwe aanpak biedt een breed scala aan controle en flexibiliteit als het gaat om het produceren van programmeerbare fotonische apparaten. Belangrijk is dat de apparaten met deze aanpak in enkele minuten kunnen worden geprogrammeerd. Nog indrukwekkender is dat de geprogrammeerde toestand niet vluchtig is en tot 15 weken stabiel blijft.
Stimulans voor samenwerking
De stimulans voor deze interdepartementale samenwerking kwam van Mahir Mohammed: "Ik las een artikel uit 2002 van onderzoekers van MIT die heeft aangetoond dat de brekingsindex van PEM kan worden veranderd met behulp van zure oplossingen. We zochten contact met de faculteit Scheikundige Technologie en ontmoetten Ilja Voets en haar groep. De rest is geschiedenis, zoals ze zeggen." Co-auteur Christian Sproncken, promovendus in de Self-Organizing Soft Matter Group van Voets, merkte op: "Het was geweldig om technieken uit mijn vakgebied op een andere manier te gebruiken. Velen zullen dit zien als een niet-traditionele manier om PIC's te maken, maar we laten zien wat er met deze aanpak mogelijk is!"
Oded Raz legde uit: "Dit is een geheel nieuwe richting voor het maken van herconfigureerbare fotonica. Het effent het de weg voor de goedkope massaproductie van herprogrammeerbare PIC's." Ook Ilja Voets was enthousiast over de bevindingen: "Multidisciplinaire samenwerkingsverbanden bieden de mogelijkheid om vooruitgang te boeken op meerdere terreinen tegelijk. Deze studie heeft aangetoond dat onze expertise in polymeren op een nieuwe en verfrissende manier kan worden toegepast. Hierdoor is er potentieel voor belangrijke fotonische componenten in toekomstige fotonische technologieën.”
Volledig artikel: Mahir A. Mohammed et al. , "Reversibilly Programmable Photonics via Responsive Polyelectrolyte Multilayer Cladding", Advanced Optical Materials, (2020), (doi: 10.1002/adom.202000325).