Une équipe développe une imprimante laser pour puces photoniques

Les circuits intégrés photoniques constituent une technologie de nouvelle génération importante. Ces micropuces sophistiquées ont le potentiel de réduire considérablement les coûts et d’augmenter la vitesse et l’efficacité des appareils électroniques dans un large éventail de domaines d’application, notamment la technologie automobile, les communications, les soins de santé, le stockage de données et l’informatique pour l’intelligence artificielle.

Les circuits photoniques utilisent des photons, des particules fondamentales de la lumière, pour déplacer, stocker et accéder aux informations, de la même manière que les circuits électroniques conventionnels utilisent les électrons à cette fin. Les puces photoniques sont déjà utilisées aujourd’hui dans les systèmes avancés de communication à fibre optique, et elles sont en cours de développement pour être mises en œuvre dans un large éventail de technologies à venir, notamment la détection et la télémétrie de la lumière, ou LiDAR, pour les véhicules autonomes ; capteurs lumineux pour dispositifs médicaux; Réseaux de communication 5G et 6G ; et l’informatique optique et quantique.

Compte tenu du large éventail d’utilisations existantes et futures des circuits intégrés photoniques, l’accès à des équipements capables de fabriquer des puces pour l’étude, la recherche et les applications industrielles est également important. Cependant, la construction des installations de nanofabrication actuelles coûte des millions de dollars et est bien hors de portée de nombreux collèges, universités et laboratoires de recherche.

Pour ceux qui peuvent accéder à une installation de nanofabrication, au moins une journée doit être réservée au processus lithographique exigeant et long utilisé pour fabriquer ces micropuces. De plus, si une erreur est commise dans la conception ou si la puce ne fonctionne pas correctement pour une autre raison, le circuit défectueux doit être jeté, la conception ajustée et une nouvelle puce fabriquée. Cela se traduit souvent par des jours, voire des semaines, passés en salle blanche.

Mais maintenant, comme décrit dans un nouveau papier dans Avancées scientifiquesune équipe de recherche dirigée par l’Université de Washington a mis au point un moyen de contourner les installations coûteuses de nanofabrication et de produire des circuits intégrés photoniques presque n’importe où.

L’équipe a développé une méthode innovante dans laquelle ces circuits peuvent être écrits, effacés et modifiés par un graveur laser en un mince film de matériau à changement de phase similaire à celui utilisé pour les CD et DVD enregistrables. Ce nouveau processus permet de construire et de reconfigurer des circuits intégrés photoniques en une fraction du temps qu’il faudrait dans un laboratoire de nanofabrication.

L’équipe multi-universitaire était dirigée par Mo Li, professeur de génie électrique et informatique et de physique de l’UW, président associé pour la recherche du département, membre de l’Institut des systèmes nano-ingénierie et auteur principal de l’article.

« La technologie photonique se profile à l’horizon ; par conséquent, nous devons former ou éduquer nos étudiants dans ce domaine. Mais pour que les étudiants étudient et acquièrent une expérience pratique des circuits photoniques, ils doivent actuellement avoir accès à une installation de plusieurs millions de dollars », » dit Li.

« Cette nouvelle technologie résout ce problème. Grâce à notre méthode, les circuits photoniques qui devaient auparavant être fabriqués dans des installations coûteuses et difficiles d’accès peuvent désormais être imprimés et reconfigurés dans des laboratoires, des salles de classe et même des garages, par un moyen rapide et peu coûteux. -un appareil coûteux de la taille d’une imprimante laser de bureau conventionnelle.

Avantages pour les étudiants, les chercheurs et l’industrie

Les étudiants ne sont pas les seuls à bénéficier de cette nouvelle façon de créer des circuits intégrés photoniques. Pour les chercheurs, cette avancée permettra un délai d’exécution beaucoup plus rapide pour prototyper et tester une nouvelle idée avant de réserver un temps précieux dans une installation de nanofabrication.

Et pour les applications industrielles, un gros avantage de cette méthode de production de circuits intégrés photoniques est la reconfigurabilité. Par exemple, les entreprises pourraient éventuellement utiliser cette technologie pour créer des connexions optiques reconfigurables dans les centres de données, en particulier dans les systèmes prenant en charge l’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique, ce qui entraînerait des économies de coûts et une efficacité de production.

L’équipe de recherche de Li comprenait Changming Wu, étudiant diplômé de l’UW ECE, auteur principal de l’article, et, avec Li, a eu l’idée de cette nouvelle façon de construire des circuits intégrés photoniques. Haoqin Deng, étudiant diplômé de l’UW ECE, a également contribué à cet effort. Leurs travaux sont le dernier résultat d’une ligne de recherche de six ans à l’UW qui inclut les progrès de l’informatique optique. C’est également la continuation d’une collaboration productive avec les professeurs Ichiro Takeuchi et Carlos A. Ríos Ocampo et leurs étudiants de l’Université du Maryland.

« Être capable d’écrire un circuit photonique complet en une seule étape, sans processus de fabrication compliqué, est vraiment passionnant. Et le fait que nous puissions apporter n’importe quelle modification à n’importe quelle partie du circuit dans notre propre laboratoire et le réécrire et le refaire est incroyable », a déclaré Wu. « C’est une question de minutes au lieu d’un processus d’une journée entière. C’est un énorme soulagement de pouvoir terminer l’ensemble du processus de fabrication en quelques minutes au lieu de ce qui prend souvent plusieurs jours, voire une semaine. »

Améliorer les performances, construire un appareil commercial

La méthode développée par l’équipe a fait ses preuves, mais il s’agit encore d’un concept à un stade précoce. Cependant, Li a déposé une demande de brevet provisoire et il envisage de construire un graveur laser de bureau pour les circuits intégrés photoniques. Cette imprimante pourrait être vendue à un prix abordable et largement distribuée aux laboratoires de recherche et aux établissements d’enseignement du monde entier. Il s’engage également auprès des leaders de l’industrie pour promouvoir les applications possibles de cette nouvelle technologie dans les puces photoniques programmables et les réseaux optiques reconfigurables.

Cette imprimante laser pour puces photoniques utilisera un système d’étagement qui déplacera le substrat de manière beaucoup plus précise que dans une imprimante de bureau traditionnelle. L’équipe cherchera des moyens d’optimiser ses performances lors de la construction d’un prototype. Ils travailleront également à réduire la perte optique dans le matériau à changement de phase qu’ils utilisent grâce à des recherches plus approfondies sur la science des matériaux et les techniques d’écriture laser. Cela permettra à l’imprimeur de produire des circuits encore plus détaillés et sophistiqués que ce qui est actuellement possible.

Li a déclaré que lui et son équipe de recherche étaient très enthousiasmés par ce qui les attendait.

« Cette technologie peut créer les circuits photoniques que vous souhaitez, mais elle peut également être ajoutée à des circuits électroniques déjà existants. Et comme elle est reconfigurable et réutilisable, elle ouvre de nombreuses possibilités aux étudiants, aux chercheurs et à l’industrie », a déclaré Li. « Ce qui me passionne le plus, c’est que nous aurons potentiellement un impact énorme sur le domaine de la photonique en diffusant ce nouvel outil et cette nouvelle technologie à l’ensemble de la communauté de recherche. »