Les chercheurs ont développé de nouveaux matériaux polymères qui sont idéaux pour réaliser les liaisons optiques nécessaires pour connecter des composants photoniques à base de puces avec des circuits au niveau de la carte ou des fibres optiques. Les polymères peuvent être utilisés pour créer facilement des interconnexions entre les puces photoniques et les cartes de circuits imprimés optiques, l’équivalent à base de lumière des cartes de circuits imprimés électroniques.
« Ces nouveaux matériaux et les processus qu’ils permettent pourraient conduire à de nouveaux modules photoniques puissants basés sur la photonique au silicium », a déclaré le chef de l’équipe de recherche Robert Norwood de l’Université de l’Arizona. « Ils pourraient également être utiles pour la détection optique ou la réalisation d’affichages holographiques pour des applications de réalité augmentée et virtuelle.
La technologie photonique sur silicium permet d’intégrer des composants basés sur la lumière sur une minuscule puce. Bien que de nombreux composants de base des dispositifs photoniques au silicium aient été démontrés, de meilleures méthodes sont nécessaires pour fabriquer les connexions optiques qui relient ces composants pour créer des systèmes plus complexes.
Dans la revue Matériaux optiques Express, les chercheurs rapportent de nouveaux matériaux polymères qui présentent un indice de réfraction qui peut être ajusté avec la lumière ultraviolette (UV) et de faibles pertes optiques. Ces matériaux permettent d’imprimer une interconnexion optique monomode directement dans un matériau de film sec à l’aide d’un système de lithographie à faible coût et à haut débit compatible avec les techniques de fabrication CMOS utilisées pour fabriquer des composants photoniques à base de puces.
« Cette technologie rend plus pratique la fabrication d’interconnexions optiques, qui peuvent être utilisées pour rendre Internet, en particulier les centres de données qui le font fonctionner, plus efficace », a déclaré Norwood. « Par rapport à leurs homologues électroniques, les interconnexions optiques peuvent augmenter le débit de données tout en générant moins de chaleur. Cela réduit la consommation d’énergie et les besoins en refroidissement. »
Remplacer les fils par de la lumière
La recherche se développe sur un système de matériau polymère vinylthiophénol connu sous le nom de S-BOC que les chercheurs ont développé précédemment. Ce matériau a un indice de réfraction qui peut être modifié à l’aide d’un éclairage UV. Dans le nouveau travail, les chercheurs ont partiellement fluoré le S-BOC pour améliorer son efficacité lumineuse. Le nouveau système de matériaux, appelé FS-BOC, présente des pertes de propagation optique inférieures à celles de nombreux autres matériaux d’interconnexion optique.
« Avec ce matériau, nous pouvons utiliser un processus que nous appelons SmartPrint pour écrire directement des interconnexions optiques entre différents éléments de cartes de circuits imprimés optiques, tels que des guides d’ondes en verre à échange d’ions (IOX) fournis par notre collaborateur Lars Brusberg de Corning Incorporated », a déclaré Norwood.
Pour effectuer le processus SmartPrint, un film FS-BOC est appliqué directement sur un composant photonique. Aucun alignement mécanique n’est nécessaire car l’interconnexion optique est réalisée à l’aide d’un système de lithographie sans masque qui calcule où l’interconnexion est requise en examinant les composants, puis en écrivant l’interconnexion optique dans le polymère par photoexposition. Aucun traitement supplémentaire n’est nécessaire autre que le chauffage bref du film polymère à 90 °C. Étant donné que l’approche de fabrication est sans masque, les motifs d’écriture peuvent être modifiés sans créer de nouveau photomasque.
Créer une connexion
Pour démontrer les nouveaux matériaux, les chercheurs les ont déposés directement sur des matrices de guides d’ondes en verre à échange d’ions, qui sont couramment utilisées pour les dispositifs photoniques intégrés. Ils ont ensuite imprimé les caractéristiques de couplage nécessaires pour permettre à la lumière de sortir d’un guide d’ondes IOX, de se propager dans l’interconnexion polymère nouvellement fabriquée, puis d’entrer dans un deuxième guide d’ondes IOX adjacent au guide d’ondes IOX initial.
Selon les chercheurs, les interconnexions optiques polymères ont bien fonctionné et ont montré de faibles pertes de propagation et de couplage, ce qui signifie que très peu de lumière a été perdue lors de son déplacement à l’intérieur de l’interconnexion ou entre celle-ci et les autres composants.
Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer le contraste de l’indice de réfraction du matériau et ses performances à haute température. « Un contraste d’indice de réfraction plus élevé rendrait le matériau plus tolérant aux variations de fabrication, tandis que des performances à haute température sont probablement nécessaires pour que l’interconnexion puisse résister aux processus de refusion de la soudure, qui ont lieu au-dessus de 200 °C », a déclaré Norwood.
Julie I. Frish et al, Fabrication photolithographique rapide d’interconnexions optiques à haute densité à l’aide de polymères de contraste d’indice de réfraction, Matériaux optiques Express (2022). DOI : 10.1364/OME.454195