Å lede lys inn i en liten brikke

Lys stråler ut fra solen i alle retninger og lyser opp omgivelsene våre på dagtid, men lys er mer enn bare belysning. Lys er et kraftfullt verktøy i moderne teknologi.

Forskere og ingeniører har i løpet av de siste tiårene utviklet avanserte plattformer som kan fange, kontrollere og bøye lys med høy presisjon. Dette har åpnet døren for teknologier som høyhastighets internett, avansert databehandling ved lys og registrering av små endringer i miljøet vårt for helse og sikkerhet. 

– Ved å lære å kunne styre lys, kan vi åpne opp nye måter å kommunisere, utforske og samhandle med verden rundt oss på, sier Firehun Tsige Dullo. 

Han er forsker ved SINTEF Digital, hvor han i team med Daniel Nilsen Wright arbeider med å utvikle fotoniske teknologier i EU-prosjektet COMPAS. 

Vi forventer at vårt arbeid med bredbånds, lavtapende bølgeledere av aluminiumoksid (Al₂O₃) vil åpne døren for banebrytende innovasjoner

Elektroniske integrerte kretser (ICs) har vært drivkraften bak den digitale verden i flere tiår. Disse små brikkene behandler informasjon ved hjelp av elektroner, og finnes i alt fra smarttelefoner til bærbare PC-er og superdatamaskiner. 

Fotoniske integrerte kretser (PICs) tar en annen tilnærming. Disse bruker fotoner, lyspartikler, i stedet for elektroner og baner nå vei for en ny bølge av innovasjon. 

Ved å utvikle avanserte materialer og mønstringsprosesser presser forskerne grensene for teknologi – og baner vei for nyvinninger innen helse, databehandling og miljøovervåking.

Fra elektroner til fotoner: fotoniske integrerte kretser (PICs) 

– Lys lar oss sende informasjon raskere enn elektrisitet og genererer langt mindre varme. Det betyr at PIC-er kan overføre data med svært høy hastighet og samtidig lavt energiforbruk, forklarer Firehun Tsige Dullo. 

Dette gjør integrert fotonikk ideell for teknologier der hastighet, presisjon og store datamengder er avgjørende, som høyhastighets internett, avanserte medisinske sensorer, miljøovervåking og til og med kvantedatabehandling. 

Lys lar oss sende informasjon raskere enn elektrisitet og genererer langt mindre varme

– Fotonikk kan dessuten redusere vårt behov for strømkrevende elektronikk, og gjøre fremtidens teknologi mer bærekraftig og miljøvennlig.

Elektronikk vil fortsatt spille en sentral rolle, men fotonikk gir altså rom for neste bølge av innovasjon. 

Å jobbe med flere farger av lys

Integrert fotonikk (PICs) begynner å finne anvendelser i hverdagslige teknologier som smarte sensorer og kommunikasjonssystemer. Da de fremstilles på samme måte som tradisjonelle databrikker, er de fleste er laget av silisium. 

Men silisium har en begrensning. Det fungerer bare godt med visse «farger» av lys, hovedsakelig nær-infrarødt lys, som er usynlig for det menneskelige øyet. Ved forsøk på å bruke synlig eller ultrafiolett lys absorberes det for raskt, og lyset klarer ikke å bevege seg effektivt gjennom brikken.  

– Silisium begrenser bruksområdene til integrert fotonikk, påpeker Firehun Tsige Dullo. 

Lys har imidlertid et langt større spekter av farger, fra ultrafiolett (blåere enn blått), synlig til infrarødt (rødere enn rødt), hver med sine unike egenskaper. For å virkelig utnytte potensialet i PIC-teknologien, trenger man derfor materialer som kan lede hele dette spekteret. Det åpner døren for nye typer sensorer og anvendelser innenfor kvanteteknologi. 

Når man utvikler en PIC-plattform for spesifikke bruksområder, stiller forskerne noen sentrale spørsmål: 

• Hvilket materiale passer best til ønsket lysspekter? 
• Hvordan kan vi avsette tynne, høykvalitets lag av dette materialet? 
• Hvordan kan vi lage de bittesmå kanalene og strukturene som trengs? 

Ved SINTEF MiNaLab utforsker forskerne PIC-teknologi for bredbåndsbruk, med spesielt fokus på ultrafiolett lys.  

– Dette ledet oss til spørsmålet: Hvilket materiale er best egnet? forklarer Firehun Tsige Dullo. 

Et materiale som virket lovende er aluminiumoksid (Al₂O₃), også kjent som safir. Det er transparent over et bredt spekter (ultrafiolett, synlig og infrarødt), men er ikke uten utfordringer å jobbe med. 

– Safir er et ekstremt hardt materiale og derfor utfordrende å bearbeide, forteller Firehun Tsige Dullo. 

Å lage Al₂O₃-lag – ett molekylark av gangen 

For å lage tynne, høykvalitets filmer i halvlederindustrien brukes ofte Atomic Layer Deposition (ALD), en teknikk som deponerer ett molekylært lag av gangen med stor presisjon. 

Ved SINTEF MiNaLab har ALD-deponert Al₂O₃ lenge vært brukt som beskyttende belegg (passiveringslag) for sensorer. Med ALD-verktøy installert i renrommet til MiNaLab, kan forskerne også produsere dette materialet internt.

Prosessen vi kom frem til gir nye muligheter 

Forsker Firehun Tsige Dullo så derfor nok et potensial, og stilte seg et spørsmål. 

– Hva om dette materialet (ALD-Al₂O₃) kan brukes som en bredbånds PIC-plattform?  

Få forskergrupper arbeider med dette, og det er stort rom for forbedring. Firehun kontaktet derfor kollega Michael Getz, ekspert på ALD ved SINTEF MiNaLab. Sammen fant de to forskerne en prosess for å teste de optiske egenskapene. Resultatet vekket oppsikt.  

– Dette materialet viste seg å fungere svært godt! Det overfører lys med svært lite energitap, under 0,5 desibel per centimeter, forklarer Firehun. 

Det var bare ett problem; å kunne lage mønster i det notorisk harde safirmaterialet. 

Etse bittesmå lyskanaler i Al₂O₃ med sterke syrer 

For å lede lys i en fotonisk integrert krets, trenger du små kanaler, som veier for lys. I Firehun og teamets tilfelle ville de altså lage disse kanalene i det harde materialet Al₂O₃. Men å skjære fine stier i et så robust materiale er ingen enkel oppgave. 

Firehun kontaktet derfor prosessingeniør Aina Herbjørnrød og produksjonssjef Erik Poppe ved SINTEF MiNaLab.  

– De satte i gang arbeidet med å finne syrer som effektivt kan etse bort Al₂O₃, forklarer Firehun. 

Først påføres beskyttelsesmasker ved hjelp av en teknikk kalt fotolitografi, slik at kun utvalgte områder eksponeres. Deretter, ved bruk av riktig syre og nøye innstilte parametere, etses mønstrene inn i materialet. Prosessen følger strenge HMS-regler for å sikre trygghet for både personell og miljø. 

– Prosessen vi kom frem til gir nye muligheter, sier Firehun. 

SINTEF MiNaLab: Banebrytende fotonisk innovasjon 

SINTEFs forskere har nå altså utviklet en avansert prosess ved hjelp av ALD for å lage høykvalitets tynne filmer av aluminiumoksid (Al₂O₃). 

Den forbedrede våtetsingsteknikken gjør det mulig å produsere ultraslette 2D-bølgeleder med overflateruhet ned til 1–2 nanometer, noe som gjør det lettere for lys å bevege seg effektivt, forklarer Firehun.

– Dette gjør materialet spesielt lovende for avansert optisk teknologi. 

I deres nylig publiserte studie i Optics Letters: “Low-loss, low-background aluminum oxide waveguide platform for broad-spectrum on-chip microscopy” viste de at bølgeledere laget av Al₂O₃ lar lys bevege seg med svært lite optisk tap, under 0,5 desibel per centimeter ved 405 nm bølgelengde, bedre enn det som hittil er rapportert av andre forskergrupper. 

Men lavt tap var ikke den eneste fordelen. 

Den unike brikkeplattformen byr på nye muligheter 

Forskerne fant også at Al₂O₃ gir langt mindre bakgrunnsstøy, omtrent 200 ganger mindre enn silisiumnitrid (Si₃N₄) og tantalpentoksid (Ta₂O₅), som ofte brukes til optisk sensing og bildedannelse. 

– Den ekstremt lave støyen gjør Al₂O₃ spesielt lovende for svært følsomme bruksområder som bioavbildning og sensorsystemer, sier Firehun. 

Basert på dette bygger nå forskerne videre i det pågående EU-prosjektet COMPAS, der det jobbes med å utvikle avanserte brikkesensorer for bedre miljøovervåking. 

Ideen er enkel, men kraftfull.

Når lys samhandler med ulike materialer, som gasser eller kjemikalier, endrer det seg

– Kjernen i denne teknologien er en bølgelederinterferometer, altså en liten, brikkebasert enhet som bruker lys til å oppdage stoffer i luft eller vann. 

Det byr på store muligheter innen det grønne skiftet. 

Fokus på viktige miljøutfordringer 

– Ideen er enkel, men kraftfull. Når lys samhandler med ulike materialer, som gasser eller kjemikalier, endrer det seg, sier Firehun. 

Ved å studere hvordan lysets egenskaper endres, kan forskerne finne ut ikke bare hvilke stoffer som er til stede, men også hvor mye av dem det er. 

Med disse nye sensorene håper vi å tilby raskere, mer nøyaktige og mer kompakte verktøy for miljøovervåking. 

– I COMPAS fokuserer vi på noen av dagens mest presserende miljøutfordringer. Vi utvikler sensorer som kan oppdage skadelige gasser som nitrogenoksider (NO_x) og ozon, som påvirker luftkvalitet og helse.

Firehun Tsige Dullo og kollegene hans jobber også med en sensor for PFAS – en gruppe kjemikalier kjent som «evighetskjemikalier» fordi de ikke brytes lett ned og nå finnes i vann og jord over hele verden. 

– Med disse nye sensorene håper vi å tilby raskere, mer nøyaktige og mer kompakte verktøy for miljøovervåking. Dette vil hjelpe både forskere og samfunnet med å holde luft og vann rent. 

Fremtiden for lysdrevne innovasjoner 

Etter hvert som fotonisk teknologi utvikler seg, står fotonikkbrikker (PICs) nå klare til å revolusjonere industrier som helse, miljøovervåking, telekommunikasjon og kvantedatabehandling. 

– Vi forventer at vårt arbeid med bredbånds, lavtapende bølgeledere av aluminiumoksid (Al₂O₃) vil åpne døren for banebrytende innovasjoner, sier Firehun. 

Målet er å bidra til å utvikle raskere, mer presise og tilpasningsdyktige fotoniske enheter for fremtiden. 

– Fotonikktiden har så vidt begynt, sier Firehun Tsige Dullo, begeistret over å fortsette å utforske dens uendelige muligheter i SINTEF MiNaLab.