L'avenir s'annonce prometteur pour les circuits intégrés photoniques (PIC) car ils semblent destinés à être utilisés dans l'informatique quantique et les technologies d'apprentissage en profondeur. Comme les PIC transportent des signaux lumineux plutôt que des signaux électriques, un contrôle précis de leurs propriétés réfractives est essentiel. Les techniques traditionnelles de programmation des dispositifs photoniques reposent sur l'exposition à la lumière et à la chaleur. Cependant, cela conduit à une consommation d'énergie élevée et nécessite des circuits de commande complexes.

Des chercheurs de deux départements différents de l'Université de technologie d'Eindhoven ont développé une approche nouvelle et non traditionnelle à base de polymères qui réduit considérablement le temps de programmation et augmente les possibilités de programmation pour les PIC. Cela pourrait radicalement améliorer le rendement de fabrication des PIC programmables. La recherche a été publiée dans Matériaux optiques avancés .

Les circuits intégrés photoniques reprogrammables (PIC) manipulent le chemin des signaux lumineux porteurs de données et sont fabriqués à partir de matériaux dont l'indice de réfraction peut être modifié. Pour maximiser le contrôle du signal et minimiser les pertes optiques, un robuste, une méthode fiable et rapide de fabrication des PIC est requise.

Avec ça en tête, des chercheurs du département de génie électrique (dirigé par le Dr Mahir Mohammed et le professeur agrégé Oded Raz) et du département de génie chimique et de chimie (dirigé par Christian Sproncken et le professeur Ilja Voets) ont développé une nouvelle méthode de fabrication pour les PIC programmables qui implique revêtement de matériaux photoniques avec des polymères dont les propriétés optiques peuvent être largement ajustées en quelques minutes à l'aide de solutions acides de pH variable. Il s'agit d'une approche nouvelle et unique pour la fabrication de PIC programmables car elle implique l'utilisation de polymères et de solutions acides, plutôt que d'exposer des matériaux photoniques à la lumière puis de réguler les propriétés de réfraction à l'aide de la chaleur.

Gaine PEM pour appareils photoniques

Avant de fabriquer les nouveaux dispositifs photoniques revêtus de polymère, les chercheurs ont d'abord confirmé que les propriétés optiques des multicouches de polyélectrolytes réactifs (PEM) – un matériau composé de plusieurs couches de PEM – pouvaient être modifiées de manière réversible. Des échantillons de silicium revêtus de PEM ont été soumis à des cycles d'acidification et de neutralisation en plongeant alternativement les échantillons dans des solutions de pH variable. Une solution à faible pH (fortement acide) a conduit à de fines couches de PEM avec un indice de réfraction élevé tandis que des solutions à pH plus élevé (moins acides) ont donné des couches de PEM épaisses avec un indice de réfraction plus faible. La diminution de l'indice de réfraction est due à une augmentation du nombre de trous (augmentation de la porosité) dans le matériau.

Les auteurs ont ensuite placé un revêtement PEM d'abord entièrement puis partiellement sur un dispositif photonique. En utilisant le processus d'acidification cyclique, ils font varier l'épaisseur de la gaine (et par conséquent son indice de réfraction). Cette nouvelle approche offre une large gamme de contrôle et de flexibilité lorsqu'il s'agit de produire des dispositifs photoniques programmables. Surtout, les appareils peuvent être programmés en quelques minutes à l'aide de l'approche. Encore plus impressionnant, l'état programmé est non volatile et stable jusqu'à 15 semaines.

Stimulant pour la collaboration

Le stimulus de cette collaboration interdépartementale est venu de Mahir Mohammed :« J'ai lu un article de 2002 d'un groupe du MIT qui démontrait que l'indice de réfraction de la PEM pouvait être modifié à l'aide de solutions acides. Nous avons contacté le département CEC et rencontré Ilja Voets. et son groupe. Le reste, comme on dit, appartient à l'histoire." Co-auteur Christian Sprncken, un doctorat candidat dans le groupe de la matière molle auto-organisatrice d'Ilja Voets, c'est noté, "C'était génial d'utiliser les techniques de mon domaine d'une manière différente. Beaucoup verront cela comme une façon non traditionnelle de faire des PIC, mais nous montrons ce qui est possible avec cette approche !"

Selon Oded Raz, « C'est une toute nouvelle direction pour faire de la photonique reconfigurable et ouvre la voie à la production de masse à faible coût de PIC reprogrammables », tandis qu'Ilja Voets était également enthousiasmée par les résultats :« Les collaborations multidisciplinaires offrent une opportunité de progresser simultanément dans plusieurs domaines. Cette étude a montré que notre expertise dans les polymères peut être appliquée d'une manière nouvelle et rafraîchissante menant au potentiel de composants photoniques clés à l'avenir technologies photoniques."