La société moderne repose sur des technologies avec des circuits intégrés électroniques (CI) en leur cœur, mais ceux-ci pourraient s'avérer moins adaptés à des applications futures telles que l'informatique quantique et la détection environnementale. Circuits intégrés photoniques (PIC), l'équivalent lumineux des circuits intégrés électroniques, sont un domaine technologique émergent qui peut offrir une consommation d'énergie plus faible, fonctionnement plus rapide, et des performances améliorées. Cependant, les méthodes actuelles de fabrication de PIC conduisent à une grande variabilité entre les dispositifs fabriqués, entraînant un rendement limité, longs délais entre l'idée conceptuelle et le dispositif de travail, et le manque de configurabilité. Des chercheurs de l'Université de technologie d'Eindhoven ont mis au point un nouveau processus de fabrication de PIC qui répond à ces problèmes critiques, en créant de nouveaux PIC reconfigurables de la même manière que l'émergence des dispositifs logiques programmables a transformé la production de circuits intégrés dans les années 1980.

Les circuits intégrés photoniques (PIC) – l'équivalent lumineux des circuits intégrés électroniques – transmettent des signaux via la lumière visible et infrarouge. Les matériaux optiques à indice de réfraction réglable sont essentiels pour les PIC reconfigurables car ils permettent une manipulation plus précise de la lumière passant à travers les matériaux, conduisant à de meilleures performances PIC.

Les concepts PIC programmables actuels souffrent de problèmes tels que la volatilité et/ou les pertes de signal optique élevées, qui affectent tous deux négativement la capacité d'un matériau à conserver son état programmé. En utilisant du silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H), un matériau utilisé dans les cellules solaires en silicium à couche mince, et l'effet Staebler-Wronski (SWE) associé, qui décrit comment les propriétés optiques de a-Si:H peuvent être modifiées par exposition à la lumière ou chauffage, Des chercheurs de l'Université de technologie d'Eindhoven ont conçu un nouveau processus de fabrication de PIC qui comble les lacunes des techniques actuelles et pourrait conduire à l'émergence de PIC programmables universels.

Améliorer le rendement du PIC

Selon Oded Raz, Professeur agrégé au Département de génie électrique et responsable de recherche pour ce projet, cette approche pourrait être d'une importance capitale pour le domaine des PIC. « C'est la première démonstration au monde d'un PIC reconfigurable, où le matériau choisi pour fabriquer le circuit optique intégré est en cours de programmation". Mahir Asif Mohammed note également que le rendement des approches existantes pour la fabrication des PIC est généralement très faible. "Notre méthode peut améliorer considérablement ce rendement".

Cette nouvelle approche révolutionnaire pourrait annoncer une vague d'enquêtes supplémentaires sur les PIC reconfigurables et présente d'autres avantages. "Le plus important, par rapport aux méthodes actuelles, le temps de prototypage est beaucoup plus court et beaucoup plus précis", dit Raz. "Alors que nous continuons à travailler sur la méthode, nous prévoyons que le temps de prototypage va continuer à diminuer", ajoute Mohammed.

Les chercheurs soulignent également que des éléments chauffants peuvent être placés sur un appareil exposé à la lumière préalable pour permettre à l'utilisateur de programmer un appareil PIC comme il le souhaite. Les mêmes éléments chauffants peuvent également réinitialiser l'appareil et le remettre dans un état qui peut être facilement reprogrammé. "Notre démarche favorise l'utilisation réutilisable et durable des matériaux", dit Mohammed.

Surtout, comme l'a souligné Raz, "Cette approche permet à l'utilisateur de programmer facilement la fonctionnalité d'un PIC et de corriger simultanément les petites erreurs dans le processus de fabrication. Vous pouvez simplement régler la fonctionnalité et elle est là !"

Expériences

Pour évaluer l'efficacité de l'exposition à la lumière et du chauffage a-Si:H pour régler ses propriétés optiques, les chercheurs ont d'abord envisagé une expérience de validation de principe où ils ont étudié les changements de l'indice de réfraction d'une couche mince de a-Si:H sur un substrat de silicium. Le matériau a subi des cycles de chauffage (pendant quatre heures dans l'obscurité dans une atmosphère d'azote) et de trempage à la lumière (via un laser accordable dans le proche infrarouge). L'expérience a montré un changement d'indice de réfraction réversible d'environ 0,001, une exigence clé pour la fabrication de PIC reconfigurables.

Ensuite, un commutateur optique reconfigurable basé sur un résonateur à micro-anneau (MRR) qui a été soumis à des cycles de trempage léger et de traitements thermiques a également montré une réversibilité répétable. Et enfin pour mieux comprendre la cause des changements d'indice de réfraction réversibles, les chercheurs ont examiné les variations de la structure d'une membrane unidimensionnelle où le principal contributeur aux états de commutation du dispositif MRR est l'expansion volumétrique métastable.