Utilizando chips fotónicos integrados fabricados en EPFL, los científicos han demostrado generadores de microondas basados en láser. Estas señales de microondas, así como sus portadores ópticos, podrían usarse en radares, comunicaciones satelitales y futuras redes inalámbricas 5G.
5G y la necesidad de mayor ancho de banda
La síntesis, distribución y procesamiento de señales de radio y microondas son omnipresentes en redes inalámbricas, telecomunicaciones y radares. La tendencia actual es utilizar portadoras en bandas de frecuencia más altas, especialmente con cuellos de botella de ancho de banda que se avecinan debido a las demandas de, por ejemplo, 5G y el Internet de las cosas.
La “fotónica de microondas”, una combinación de ingeniería de microondas y optoelectrónica, podría ofrecer una solución.
Un elemento clave de la fotónica de microondas son los peines de frecuencia óptica, que proporcionan cientos de líneas láser equidistantes y coherentes entre sí. Son pulsos ópticos ultracortos emitidos con una tasa de repetición estable que corresponde precisamente al espaciado de frecuencia de las líneas de peine.
La fotodetección de los pulsos produce un portador de microondas
En los últimos años ha habido un progreso significativo en los peines de frecuencia a escala de chip generados a partir de microresonadores no lineales accionados por láseres de onda continua. Estos peines de frecuencia se basan en la formación de solitones Kerr disipativos, que son pulsos de luz ultracortos y coherentes que circulan dentro de microresonadores ópticos. Debido a esto, estos peines de frecuencia se denominan comúnmente «microcombs soliton».
La generación de microcombs de solitón necesita microresonadores no lineales, y estos se pueden construir directamente en chip utilizando la tecnología de nanofabricación CMOS. La cointegración con circuitos electrónicos y láseres integrados allana el camino para peinar la miniaturización, permitiendo una gran cantidad de aplicaciones en metrología, espectroscopía y comunicaciones.
Chips fotónicos a 20 GHz
Publicando en Nature Photonics , un equipo de investigación de EPFL dirigido por Tobias J. Kippenberg ahora ha demostrado microcombs de solitones integrados con tasas de repetición tan bajas como 10 GHz. Esto se logró al reducir significativamente las pérdidas ópticas de las guías de onda fotónicas integradas basadas en nitruro de silicio, un material que ya se utiliza en los circuitos microelectrónicos CMOS, y que también se ha utilizado en la última década para construir circuitos integrados fotónicos que guían la luz láser.
Los científicos pudieron fabricar guías de ondas de nitruro de silicio con la menor pérdida en cualquier circuito fotónico integrado. Usando esta tecnología, los pulsos de solitones coherentes generados tienen tasas de repetición tanto en el microondas K- (~ 20 GHz, usado en 5G) como en la banda X (~ 10 GHz, usado en radares).
Las señales de microondas resultantes presentan propiedades de ruido de fase a la par o incluso más bajas que los sintetizadores de microondas electrónicos comerciales.
La demostración de microcombs solitónicos integrados a tasas de repetición de microondas une los campos de la fotónica integrada, la óptica no lineal y la fotónica de microondas.
El equipo de EPFL logró un nivel de pérdidas ópticas lo suficientemente bajo como para permitir que la luz se propague casi 1 metro en una guía de ondas que tiene solo 1 micrómetro de diámetro, 100 veces más pequeño que un cabello humano. Este nivel de pérdida es aún más de tres órdenes de magnitud más alto que el valor en fibras ópticas, pero representa la pérdida más baja en cualquier guía de onda estrechamente limitada para fotónica no lineal integrada hasta la fecha.
Esa baja pérdida es el resultado de un nuevo proceso de fabricación desarrollado por científicos de EPFL: el «proceso de damasceno fotónico de nitruro de silicio».
«Este proceso, cuando se lleva a cabo utilizando la litografía de pasos ultravioleta profunda, ofrece un rendimiento realmente espectacular en términos de baja pérdida, que no se puede lograr utilizando técnicas convencionales de nanofabricación», dice Junqiu Liu, el primer autor del artículo que también dirigió la fabricación de nitruro de silicio. chips nanofotónicos en el Centro de MicroNanoTechnology (CMi) de EPFL. «Estas microcombs, y sus señales de microondas, podrían ser elementos críticos para construir osciladores de microondas de bajo ruido totalmente integrados para futuras arquitecturas de radares y redes de información».
El equipo de EPFL ya está trabajando con colaboradores en los EE. UU. Para desarrollar módulos de microcombustión solitón integrados híbridos que combinan láseres semiconductores a escala de chip. Estos microcombs altamente compactos pueden afectar muchas aplicaciones, por ejemplo, transceptores en centros de datos, LiDAR, relojes atómicos ópticos compactos, tomografía de coherencia óptica, fotónica de microondas y espectroscopía.
En la imagen de portada se muestra la fotografía de los chips fotónicos de nitruro de silicio utilizados para el peine de frecuencia y la generación de microondas fotónico. Crédito: Junqiu Liu y Jijun He (EPFL).
Fondos
Swiss National Science Foundation (SNF)
Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)
Referencias
“Photonic microwave generation in the X- and K-band using integrated soliton microcombs” J. Liu, E. Lucas, AS Raja, J. He, J. Riemensberger, RN Wang, M. Karpov, H. Guo, R. Bouchand y TJ Kippenberg, (Generación fotónica de microondas en la banda X y K usando microcombs soliton integrados), Nature Photonics 20 de abril de 2020. DOI: 10.1038 / s41566-020-0617-x
