Programação de circuitos ópticos para aplicações específicas e redução de custos de produção

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A fotônica de silício é uma tecnologia em evolução que transfere dados entre chips de computador usando raios ópticos que podem transportar muito mais dados em menos tempo que os condutores elétricos. O conceito envolve combinar tecnologia de laser e silício em um único chip, um chip fotônico de silício.

É uma área de tecnologia extremamente promissora em desenvolvimento que teve um crescimento impressionante no ano passado, com mais de 3,5 milhões de transceptores fotônicos de silício para data centers sendo enviados, gerando uma receita de cerca de US $ 364 milhões. De agora até 2026, a Global Market Insights espera que o mercado de fotônicos de silício cresça mais de 30% ano a ano, para um valor superior a US $ 3 bilhões.

Expansão de aplicações fotônicas de silício

Agora, em um movimento que poderia ver o mercado de fotônica de silício crescer ainda mais, os pesquisadores desenvolveram um novo método para construir unidades de comutação integradas programáveis ​​e eficientes em energia em um chip fotônico de silício. Ao permitir que um circuito óptico genérico seja fabricado a granel e posteriormente programado para aplicações específicas, como LiDAR, o novo método pode reduzir significativamente os custos de produção – uma grande barreira para os fabricantes – e permitir um acesso mais amplo.

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“A fotônica de silício é capaz de integrar dispositivos ópticos e circuitos microeletrônicos avançados, tudo em um único chip” disse Xia Chen, membro da equipe de pesquisa da Universidade de Southampton. “Esperamos que os circuitos fotônicos de silício configuráveis ​​expandam muito o escopo de aplicativos para fotônica de silício e, ao mesmo tempo, reduzam custos, tornando essa tecnologia mais útil para aplicações de consumo”.

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O prober em escala de wafer está sendo testado pela Universidade de Southampton (à esquerda). O prober realiza autonomamente e com precisão os testes de dispositivos ópticos e elétricos a uma velocidade média de menos de 30 segundos por dispositivo. Imagem creditada a Xia Chen, Universidade de Southampton

Componentes apagáveis

O trabalho da equipe baseia-se em pesquisas anteriores, nas quais uma versão apagável de um componente óptico foi desenvolvida. Esse componente, conhecido como acoplador de grade, foi criado pela implantação de íons germânio no silício. Esses íons induzem danos que alteram o índice de refração do silício na área em que são implantados. Uma vez alterado, o calor pode ser aplicado à área local usando um processo de recozimento a laser que reverte o índice de refração e apaga o acoplador de grade.

Em sua própria pesquisa, a equipe descreve como eles aplicaram essa técnica de implantação de íons de germânio para criar guias de onda apagáveis ​​e acopladores direcionais, componentes que podem ser usados ​​para fazer circuitos e interruptores reconfiguráveis. Esta é a primeira vez que guias de onda apagáveis ​​submícron são criados em silício. “… descobrimos que uma estrutura cuidadosamente projetada e usando a receita certa de implantação de íons podem criar um guia de ondas que transmite sinais ópticos com perda óptica razoável” disse Chen.

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Uma ampla gama de aplicações

Essa abordagem foi demonstrada pelos pesquisadores ao projetar e fabricar guias de onda, acopladores direcionais e circuitos de comutação 1 X 4 e 2 X 2. O dispositivo fotônico de diferentes chips testados antes e após o recozimento a laser mostrou desempenho consistente. E como a técnica envolve alterar o roteamento do guia de ondas fotônico por meio de uma operação única, nenhuma energia adicional é usada para manter a configuração quando programada.

A tecnologia desenvolvida pela equipe de pesquisa pode ter uma ampla gama de aplicações. Isso inclui dispositivos sensores integrados para substâncias bioquímicas e transceptores ópticos para conexões usadas em computação de alto desempenho.

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