Il futuro sembra brillante per i circuiti integrati fotonici (PIC) poiché sembrano destinati all'uso nell'informatica quantistica e nelle tecnologie di apprendimento profondo. Poiché i PIC trasportano segnali luminosi piuttosto che segnali elettrici, è essenziale un controllo accurato delle loro proprietà rifrattive. Le tecniche tradizionali per la programmazione dei dispositivi fotonici si basano sull'esposizione alla luce e al calore. Però, ciò comporta un elevato consumo di energia e richiede circuiti di controllo complessi.

I ricercatori di due diversi dipartimenti dell'Università tecnologica di Eindhoven hanno sviluppato un approccio nuovo e non tradizionale basato sui polimeri che riduce significativamente il tempo di programmazione e aumenta le possibilità di programmazione per i PIC. Ciò potrebbe migliorare radicalmente la resa di fabbricazione dei PIC programmabili. La ricerca è stata pubblicata in Materiali ottici avanzati .

I circuiti integrati fotonici riprogrammabili (PIC) manipolano il percorso dei segnali luminosi che trasportano dati e sono realizzati con materiali il cui indice di rifrazione può essere modificato. Per massimizzare il controllo del segnale e ridurre al minimo le perdite ottiche, un robusto, è necessario un metodo affidabile e rapido per realizzare i PIC.

Con questo in testa, ricercatori del dipartimento di Ingegneria Elettrica (guidato dal Dr. Mahir Mohammed e dal Professore Associato Oded Raz) e dal Dipartimento di Ingegneria Chimica e Chimica (guidato da Christian Sproncken e il Professor Ilja Voets) hanno sviluppato un nuovo metodo di fabbricazione per PIC programmabili che coinvolge rivestimento di materiali fotonici con polimeri le cui proprietà ottiche possono essere ampiamente regolate in pochi minuti utilizzando soluzioni acide di pH variabile. Questo è un approccio nuovo e unico per realizzare PIC programmabili in quanto prevede l'uso di polimeri e soluzioni acide, piuttosto che esporre i materiali fotonici alla luce e quindi regolare le proprietà rifrattive usando il calore.

Rivestimento PEM per dispositivi fotonici

Prima di fabbricare i nuovi dispositivi fotonici rivestiti di polimero, i ricercatori hanno prima confermato che le proprietà ottiche del multistrato polielettrolitico reattivo (PEM), un materiale costituito da un numero di strati PEM, potrebbero essere modificate in modo reversibile. I campioni di silicio rivestiti con PEM sono stati sottoposti a cicli di acidificazione e neutralizzazione mediante immersione alternativa dei campioni in soluzioni a pH variabile. Una soluzione a basso pH (altamente acida) ha portato a sottili strati di PEM con un alto indice di rifrazione, mentre soluzioni a pH più alto (meno acide) hanno portato a strati di PEM spessi con un indice di rifrazione più basso. La diminuzione dell'indice di rifrazione è dovuta ad un aumento del numero di fori (aumento della porosità) nel materiale.

Gli autori hanno quindi posizionato un rivestimento PEM prima interamente e poi parzialmente su un dispositivo fotonico. Utilizzando il processo di acidificazione ciclica, variavano lo spessore del rivestimento (e di conseguenza il suo indice di rifrazione). Questo nuovo approccio offre un'ampia gamma di controllo e flessibilità quando si tratta di produrre dispositivi fotonici programmabili. È importante sottolineare che i dispositivi possono essere programmati in pochi minuti utilizzando l'approccio. Ancora più impressionante, lo stato programmato è non volatile e stabile fino a 15 settimane.

Stimolo alla collaborazione

Lo stimolo per questa collaborazione interdipartimentale è venuto da Mahir Mohammed:"Ho letto un articolo del 2002 di un gruppo del MIT che ha dimostrato che l'indice di rifrazione della PEM può essere modificato utilizzando soluzioni acide. Abbiamo contattato il dipartimento CEC e incontrato Ilja Voets e il suo gruppo. Il resto, come si dice, è storia." Co-autore Christian Sproncken, un dottorato di ricerca candidato nel gruppo Self-Organizing Soft Matter di Ilja Voets, notato, "È stato fantastico utilizzare le tecniche del mio campo in un modo diverso. Molti lo vedranno come un modo non tradizionale di fare foto, ma mostriamo cosa è possibile con questo approccio!"

Secondo Oded Raz, "Questa è una direzione completamente nuova per realizzare fotonica riconfigurabile e apre la strada alla produzione di massa a basso costo di PIC riprogrammabili", mentre Ilja Voets era anche entusiasta dei risultati:"Le collaborazioni multidisciplinari offrono l'opportunità di progredire contemporaneamente in più campi. Questo studio ha dimostrato che la nostra esperienza nei polimeri può essere applicata in un modo nuovo e rinfrescante che porta al potenziale per i componenti fotonici chiave in futuro tecnologie fotoniche."