Fotonik çiplere Lego gibi eklenen kristallerle yeni işlevler

Elektronik çiplerin hız, ısı ve güç tüketimi sınırları, bilgiyi elektrik sinyalleri yerine fotonlarla taşıyan fotonik çiplere ilgiyi artırıyor. Yarı iletken sektörünün üretim birikiminden yararlanan silikon fotonik sistemler ise silikonun ışığı modüle etme ve algılama konusundaki malzeme kısıtlamalarıyla karşılaşıyor. St. Louis’deki Washington Üniversitesi McKelvey Mühendislik Okulu araştırmacıları, mevcut devrelere farklı işlevler kazandırmak için ultra ince tek kristal filmlerin entegre edildiği yeni bir mimari geliştirdi.

MODÜLER KRİSTAL ENTEGRASYONU 

Ekip, farklı kristalleri doğrudan silikon üzerinde büyütürken ortaya çıkan üretim ve uyumluluk sorunlarını aşmak için malzemeleri ayrı ayrı büyütüp çip üzerine aktaran bir süreç tasarladı. 'Fotonik Legolar' olarak adlandırılan bu yaklaşımda ultra ince malzemeler, ihtiyaç duyulan optik işleve göre yan yana yerleştirilebiliyor veya üst üste katmanlanabiliyor.

Yöntemle ultraviyoleden (UV) yakın kızılötesine (NIR) uzanan geniş bir spektrumda ışık modülasyonu, tek yönlü kontrol ve hassas algılama gerçekleştirildi.

DÖRT MALZEMELİ MİMARİ 

Sistemi test etmek için farklı fiziksel özelliklere sahip dört kristal malzeme kullanıldı. Tek kristal baryum titanat (BTO), elektro-optik modülasyonla elektrik sinyallerinin devreden geçen ışığı hassas biçimde kontrol etmesini sağladı. Kobalt ferrit (CFO), ışığın cihaz içindeki hareketinin tek yönlü kontrolü için entegre edildi.

Galyum arsenit (GaAs) ve galyum nitrür (GaN) ise ultraviyole ve yakın kızılötesi aralığındaki belirli dalga boylarını algılamak amacıyla silikon nitrür altyapısına katmanlandı. Araştırmacılar ayrıca BTO ve CFO nanomembranlarını silikon mikro halka rezonatörler üzerine üst üste yerleştirdi. Böylece tek cihazda elektriksel ve manyetik etkiler eş zamanlı kullanılarak ışık yönlendirildi.

UYGULAMAYA ÖZEL TASARIM 

Washington Üniversitesi Makine Mühendisliği ve Malzeme Bilimi Yardımcı Doçenti Sang-Hoon Bae, üretim sürecinin fotonik çip tasarımcılarına geniş bir tasarım özgürlüğü sunduğunu belirtti. Elektrik ve Sistem Mühendisliği Profesörü Lan Yang da her malzemenin farklı avantajlar taşıdığını, yüksek kaliteli kristallerin ayrı ayrı büyütülüp mevcut devrelere yerleştirilmesinin istenen işlev için en uygun malzemeyi seçme imkanı verdiğini ifade etti.

Modüler altyapının yüksek hızlı optik iletişim, fotonik hesaplama, veri merkezlerindeki ortak paketlenmiş optikler (co-packaged optics) ve kuantum teknolojilerinde kullanılması öngörülüyor. Ticari bir fotonik işlemci yerine esnek bir entegrasyon çerçevesi sunan çalışma, gelecekte uygulamaya özel kristal kombinasyonlarıyla terabaytlarca veriyi ışıkla işleyebilecek çiplerin Lego parçaları gibi birleştirilmesine zemin hazırlıyor.