La società moderna si basa su tecnologie con al centro i circuiti elettronici integrati (IC), ma questi potrebbero rivelarsi meno adatti in applicazioni future come l'informatica quantistica e il rilevamento ambientale. Circuiti integrati fotonici (PIC), l'equivalente basato sulla luce dei circuiti integrati elettronici, sono un settore tecnologico emergente in grado di offrire minori consumi energetici, operazione più veloce, e prestazioni migliorate. Però, gli attuali metodi di fabbricazione dei PIC portano a una grande variabilità tra i dispositivi fabbricati, con conseguente rendimento limitato, lunghi ritardi tra l'idea concettuale e il dispositivo funzionante, e mancanza di configurabilità. I ricercatori della Eindhoven University of Technology hanno ideato un nuovo processo per la fabbricazione di PIC che affronta questi problemi critici, creando nuovi PIC riconfigurabili nello stesso modo in cui l'emergere di dispositivi logici programmabili ha trasformato la produzione di circuiti integrati negli anni '80.

I circuiti integrati fotonici (PIC) - l'equivalente basato sulla luce dei circuiti integrati elettronici - trasportano segnali tramite luce visibile e infrarossa. I materiali ottici con indice di rifrazione regolabile sono essenziali per i PIC riconfigurabili in quanto consentono una manipolazione più accurata della luce che passa attraverso i materiali, portando a migliori prestazioni del PIC.

Gli attuali concetti di PIC programmabili soffrono di problemi quali volatilità e/o elevate perdite di segnale ottico, entrambi i quali influiscono negativamente sulla capacità di un materiale di mantenere il suo stato programmato. Utilizzando silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), un materiale utilizzato nelle celle solari al silicio a film sottile, e il relativo effetto Staebler-Wronski (SWE), che descrive come le proprietà ottiche di a-Si:H possono essere modificate tramite esposizione alla luce o riscaldamento, i ricercatori della Eindhoven University of Technology hanno progettato un nuovo processo di fabbricazione dei PIC che affronta le carenze delle tecniche attuali e potrebbe portare alla nascita di PIC programmabili universali.

Miglioramento della resa PIC

Secondo Oded Raz, Professore Associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e responsabile della ricerca per questo progetto, questo approccio potrebbe essere di fondamentale importanza per il campo dei PIC. "Questa è la prima dimostrazione al mondo di un PIC riconfigurabile, dove viene programmato il materiale scelto per realizzare il circuito ottico integrato". Mahir Asif Mohammed osserva inoltre che la resa degli approcci esistenti per la fabbricazione dei PIC è in genere molto bassa. "Il nostro metodo può migliorare significativamente questa resa".

Questo nuovo approccio rivoluzionario potrebbe annunciare un'ondata di ulteriori indagini sui PIC riconfigurabili e presenta ulteriori vantaggi. "Più importante, rispetto ai metodi attuali, il tempo per la prototipazione è molto più breve e molto più accurato", dice Raz. "Mentre continuiamo a lavorare sul metodo, prevediamo che il tempo di prototipazione continuerà a diminuire", aggiunge Maometto.

I ricercatori sottolineano anche che i riscaldatori possono essere posizionati su un dispositivo esposto alla luce preliminare per consentire all'utente di programmare un dispositivo PIC come desiderato. Gli stessi riscaldatori possono anche resettare il dispositivo e riportarlo in uno stato facilmente riprogrammabile. "Il nostro approccio promuove l'uso riutilizzabile e sostenibile dei materiali", dice Maometto.

In modo cruciale, come sottolineato da Raz, "Questo approccio consente all'utente di programmare facilmente la funzionalità di un PIC e di correggere contemporaneamente piccoli errori nel processo di fabbricazione. È sufficiente regolare la funzionalità ed è lì!"

esperimenti

Per valutare l'efficacia dell'esposizione alla luce e del riscaldamento a-Si:H per regolarne le proprietà ottiche, i ricercatori hanno prima considerato un esperimento di prova del concetto in cui hanno studiato i cambiamenti nell'indice di rifrazione di un sottile strato di a-Si:H su un substrato di silicio. Il materiale ha subito cicli di trattamenti di riscaldamento (per quattro ore al buio in atmosfera di azoto) e di immersione in luce (tramite un laser sintonizzabile nel vicino infrarosso). L'esperimento ha mostrato una variazione reversibile dell'indice di rifrazione di circa 0,001, un requisito chiave per la fabbricazione di PIC riconfigurabili.

Successivamente un interruttore ottico riconfigurabile basato su un risonatore a micro-anello (MRR) che è stato soggetto a cicli di assorbimento della luce e trattamenti di riscaldamento ha mostrato anche una reversibilità ripetibile. E infine per comprendere meglio la causa delle variazioni reversibili dell'indice di rifrazione, i ricercatori hanno esaminato le variazioni nella struttura di una membrana unidimensionale in cui è dimostrato che il principale contributore agli stati di commutazione del dispositivo MRR è l'espansione volumetrica metastabile.