I circuiti integrati fotonici rappresentano un'importante tecnologia della prossima ondata. Questi sofisticati microchip hanno il potenziale per ridurre sostanzialmente i costi e aumentare la velocità e l'efficienza dei dispositivi elettronici in un'ampia gamma di aree di applicazione, tra cui la tecnologia automobilistica, le comunicazioni, l'assistenza sanitaria, l'archiviazione di dati e l'informatica per l'intelligenza artificiale.
I circuiti fotonici utilizzano fotoni, particelle fondamentali della luce, per spostare, archiviare e accedere alle informazioni più o meno allo stesso modo in cui i circuiti elettronici convenzionali utilizzano gli elettroni per questo scopo. I chip fotonici sono già in uso oggi nei sistemi avanzati di comunicazione in fibra ottica e sono in fase di sviluppo per l’implementazione in un ampio spettro di tecnologie del prossimo futuro, tra cui il rilevamento e la misurazione della luce, o LiDAR, per veicoli autonomi; sensori basati sulla luce per dispositivi medici; Reti di comunicazione 5G e 6G; e calcolo ottico e quantistico.
Data l’ampia gamma di usi attuali e futuri dei circuiti integrati fotonici, è importante anche l’accesso ad apparecchiature in grado di fabbricare progetti di chip per lo studio, la ricerca e le applicazioni industriali. Tuttavia, la costruzione degli attuali impianti di nanofabbricazione costa milioni di dollari e sono ben oltre la portata di molti college, università e laboratori di ricerca.
Per coloro che possono accedere a un impianto di nanofabbricazione, almeno un giorno deve essere riservato al processo litografico, impegnativo e dispendioso in termini di tempo, utilizzato per realizzare questi microchip. Oltre a ciò, se viene commesso un errore nella progettazione o se il chip non funziona correttamente per qualche altro motivo, il circuito difettoso deve essere scartato, il progetto modificato e un nuovo chip fabbricato. Ciò spesso si traduce in giorni o addirittura settimane trascorse nella camera bianca.
Ma ora, come descritto in un nuovo articolo su Science Advances , un gruppo di ricerca guidato dall'Università di Washington ha escogitato un modo per aggirare i costosi impianti di nanofabbricazione e produrre circuiti integrati fotonici quasi ovunque.
Il team ha sviluppato un metodo innovativo in cui questi circuiti possono essere scritti, cancellati e modificati da uno scrittore laser in una pellicola sottile di materiale a cambiamento di fase simile a quello utilizzato per CD e DVD registrabili. Questo nuovo processo consente di costruire e riconfigurare circuiti integrati fotonici in una frazione del tempo necessario in un laboratorio di nanofabbricazione.
Il team multiuniversitario è stato guidato dal professore di fisica e ingegneria elettrica e informatica della UW Mo Li, che è presidente associato del dipartimento per la ricerca, membro dell'Institute for Nano-Engineered Systems e autore senior dell'articolo.
"La tecnologia fotonica è all'orizzonte; quindi, dobbiamo formare o istruire i nostri studenti in questo campo. Ma affinché gli studenti possano studiare e avere esperienza pratica con i circuiti fotonici, attualmente, hanno bisogno di accedere a una struttura multimilionaria", Li ha detto.
"Questa nuova tecnologia risolve questo problema. Utilizzando il nostro metodo, i circuiti fotonici che in precedenza dovevano essere fabbricati in strutture costose e di difficile accesso, ora possono essere stampati e riconfigurati in laboratori, aule e persino officine in garage, in modo rapido e lento." dispositivo a basso costo, delle dimensioni di una stampante laser desktop convenzionale."
Gli studenti non sono gli unici a trarre vantaggio da questo nuovo modo di creare circuiti integrati fotonici. Per i ricercatori, questo progresso consentirà tempi di consegna molto più rapidi per la prototipazione e il test di una nuova idea prima di dedicare tempo prezioso in una struttura di nanofabbricazione.
E per le applicazioni industriali, un grande vantaggio di questo metodo per produrre circuiti integrati fotonici è la riconfigurabilità. Ad esempio, le aziende potrebbero utilizzare questa tecnologia per creare connessioni ottiche riconfigurabili nei data center, in particolare nei sistemi che supportano l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico, il che porterebbe a risparmi sui costi ed efficienze di produzione.
Il gruppo di ricerca di Li comprendeva lo studente laureato dell'UW ECE Changming Wu, che è l'autore principale dell'articolo, e, insieme a Li, ha avuto l'idea per questo nuovo modo di costruire circuiti integrati fotonici. Anche lo studente laureato dell'UW ECE Haoqin Deng ha contribuito allo sforzo. Il loro lavoro è l’ultimo risultato di una linea di ricerca durata sei anni presso l’UW che include progressi nel calcolo ottico. È anche la continuazione di una collaborazione produttiva con i professori Ichiro Takeuchi e Carlos A. Ríos Ocampo e i loro studenti dell'Università del Maryland.
"Essere in grado di scrivere un intero circuito fotonico utilizzando un solo passaggio, senza un complicato processo di fabbricazione, è davvero entusiasmante. E il fatto che possiamo apportare qualsiasi modifica a qualsiasi parte del circuito nel nostro laboratorio e riscriverlo e rifarlo è incredibile", ha detto Wu. "È una questione di minuti rispetto a un processo che dura un'intera giornata. È un enorme sollievo poter completare l'intero processo di fabbricazione in pochi minuti invece che in diversi giorni o addirittura in una settimana."
Il metodo sviluppato dal team ha dimostrato di funzionare, ma è ancora in una fase iniziale. Tuttavia, Li ha depositato una domanda di brevetto provvisorio e ha in programma di costruire uno scrittore laser desktop per circuiti integrati fotonici. Questa stampante potrebbe essere venduta a un prezzo accessibile e distribuita ampiamente ai laboratori di ricerca e agli istituti scolastici di tutto il mondo. Sta inoltre collaborando con i leader del settore per promuovere possibili applicazioni di questa nuova tecnologia nei chip fotonici programmabili e nelle reti ottiche riconfigurabili.
Questa stampante laser per chip fotonici utilizzerà un sistema di staging che sposterà il substrato in modo molto più preciso rispetto a una stampante desktop tradizionale. Il team cercherà modi per ottimizzare le sue prestazioni mentre costruisce un prototipo. Lavoreranno anche per ridurre la perdita ottica nel materiale a cambiamento di fase che stanno utilizzando attraverso ulteriori ricerche nella scienza dei materiali e nelle tecniche di scrittura laser. Ciò consentirà alla stampante di produrre circuiti ancora più dettagliati e sofisticati di quanto sia attualmente possibile.
Li ha detto che lui e il suo gruppo di ricerca erano molto entusiasti di ciò che lo aspettava.
"Questa tecnologia può creare i circuiti fotonici desiderati, ma può anche essere aggiunta a circuiti elettronici già esistenti. E poiché è riconfigurabile e riutilizzabile, apre molte possibilità per studenti, ricercatori e industria", ha affermato Li. "La cosa più entusiasmante per me è che avremo potenzialmente un enorme impatto nel campo della fotonica diffondendo questo nuovo strumento e tecnologia a una comunità di ricerca più ampia."
Ulteriori informazioni: Changming Wu et al, Circuiti integrati fotonici riscrivibili e a scrittura diretta in forma libera in film sottili a cambiamento di fase, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk1361
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dall'Università di Washington
