Une nouvelle technique laser promet des dispositifs photoniques à l'intérieur du silicium
Lorsqu'un faisceau laser modifie un matériau, ces modifications peuvent être temporaires ou permanentes, et le changement peut également être extrêmement subtil ou radical. Dans tous les cas, une fois qu'une telle modification a eu lieu, le matériau modifié commence à répondre différemment au faisceau laser.
Cette interaction entre le faisceau laser et les matériaux modifiés est généralement négligée ou même activement empêchée parce qu'elle est considérée comme un artefact indésirable. Cependant, des chercheurs de l'Université de l'Université technique du Moyen-Orient ont profité de ces interactions pour créer des structures dans le silicium qui permettent des dispositifs photoniques.
Dans une recherche décrite dans la revue Nature Photonics, les chercheurs basés en ont développé une technique de fabrication laser 3D qui crée délibérément les conditions pour exploiter ces interactions, connues sous le nom de mécanismes de rétroaction non linéaires. Les chercheurs ont baptisé les structures résultantes à l'intérieur des dispositifs «in-chip» de silicium qui, selon eux, peuvent servir dans une foule d'applications. Parmi les utilisations prévues: composants photoniques à base de silicium pour la photonique proche et moyenne IR.
"Afin de différencier ces éléments de leurs homologues" sur puce ", nous avons inventé le terme" in-chip ", explique Tokel, un professeur assistant à qui était l'auteur principal de l'article. "Jusqu'à présent, le domaine de la photonique au silicium s'est principalement concentré sur la photonique sur puce, qui a connu un succès phénoménal. Nous envisageons et démontrons maintenant des éléments intégrés dans la puce silicium-photonique de preuve-de-concept pour les compléter. "
Pour arriver à leur nouvelle technique de fabrication laser 3D, Tokel et ses collègues Serim Ilday et Fatih Omer Ilday se sont intéressés spécifiquement aux conditions qui permettraient une boucle de rétroaction positive entre les modifications du matériau et l'effet correspondant sur le faisceau laser (absorption, diffusion , diffraction, focalisation, etc.).
Quand une rétroaction positive est mise en place, il devient possible que des changements même subtils se produisent de façon itérative, rapide et souvent exponentielle. Après que les changements franchissent un certain seuil, la modification dans le matériau devient permanente. Donc, la clé de l'approche des chercheurs est d'exploiter les non-linéarités sous la forme de boucles de rétroaction positive, selon Tokel.
Dans l'approche adoptée par Tokel et ses collègues, l'énergie thermique est accumulée sur le matériau à travers une succession d'impulsions de fréquence de répétition extrêmement élevées, mais à faible énergie.
"L'essentiel est que de grandes quantités d'impulsions minuscules ont été démontrées à s'blacrer plus efficacement, plus rapidement et avec des dommages thermiques beaucoup plus réduits qu'une simple impulsion géante", a déclaré Tokel.
Tokel et ses collègues ont utilisé des lasers nanosecondes qui existent depuis plus d'une décennie. Cependant, l'approche particulière des chercheurs à l'utilisation de cette technologie a été la clé pour pouvoir modifier le silicium de cette manière originale.
Pour commencer, les chercheurs ont utilisé un laser à fibre pulsée nanoseconde, avec une fréquence centrale de 1,55 micromètres, où le silicium est transparent. Cela permet au faisceau de pénétrer sous la surface de la puce, en initiant certains mécanismes de rétroaction basés sur l'absorption non linéaire. En fin de compte, cela a créé des zones modifiées de façon permanente à l'intérieur du cristal avec des volumes sphériques d'environ 1 μm.
En principe, la technique permet le mouvement d'un point à l'autre de la puce, pour écrire directement toute architecture "in-chip" 3D souhaitée, une impulsion à la fois, selon Tokel.
Cependant, il y a un problème: la création de dispositifs enterrés (ou intégrés) sur des échelles cubiques utilisant un tel traitement point à point nécessiterait entre 100 millions et 10 milliards d'étapes de positionnement de faisceau séparées, en supposant une résolution de 1 micromètre. Tokel admet que cela rendrait l'utilisation effective de la méthode pratiquement impossible, même avec l'équipement de positionnement de faisceau le plus rapide actuellement utilisé.
Mais Tokel est tombé sur une autre réalisation critique: de nombreux composants pratiques pourraient être fabriqués à partir de blocs de construction auto-organisés en forme de tige ou d'aiguille. Ces structures en forme de tige, générées par les mêmes effets de rétroaction non linéaires qui créent les modifications ponctuelles, conservent également une largeur d'environ 1 micromètre pour chaque bloc.
De plus, ces tiges, qui s'allongent dans le sens de la propagation du faisceau, peuvent être assemblées pour créer une couche 2D, voire des formes 3D plus complexes, qui peuvent être créées en balayant le faisceau laser sur la puce. "C'est ainsi que sont créés les dispositifs optiques intégrés, y compris les hologrammes, les réseaux, les lentilles, les microéléments tels que les canaux microfluidiques ou les réseaux couvrant de grandes surfaces", a déclaré M. Tokel.
Avec cette nouvelle capacité, Tokel croit que lui et ses collègues sont sur le point de concevoir une nouvelle façon de réaliser un système de «laboratoire dans une puce».
Il ajoute: «Nous pouvons également imaginer des systèmes hybrides, avec une photonique intégrée aux composants électroniques et microfluidiques, les complétant ainsi. Ceux-ci peuvent incorporer des guides d'ondes pour le transfert de données, des hologrammes pour l'optique diffractive, et d'autres micropartes pour réaliser des biocapteurs avancés, lorsqu'ils sont couplés à des réseaux de canaux sinueux. "
