Fotonisk mikrobølge generation ved hjælp af on-chip optiske frekvenskamme

I vores informationssamfund, syntesen, fordeling, og behandling af radio- og mikrobølgesignaler er allestedsnærværende i trådløse netværk, telekommunikation, og radarer. Den nuværende tendens er at bruge bærere i højere frekvensbånd, især med truende båndbreddeflaskehalse på grund af krav om, for eksempel, 5G og "tingenes internet". 'Fotonik i mikrobølgeovn, 'en kombination af mikrobølgeteknik og optoelektronik, kan tilbyde en løsning.

En vigtig byggesten for mikrobølge fotonik er optiske frekvenskamme, som giver hundredvis af ækvidistante og indbyrdes sammenhængende laserlinjer. De er ultrakorte optiske pulser udsendt med en stabil gentagelseshastighed, der præcist svarer til frekvensafstanden mellem kamlinjer. Fotodetekteringen af ​​impulserne producerer en mikrobølgeovnbærer.

I de senere år har der været betydelige fremskridt med chip-skala frekvenskamme genereret fra ikke-lineære mikroresonatorer drevet af kontinuerlige bølgelasere. Disse frekvenskamme er afhængige af dannelsen af ​​afledende Kerr -solitoner, som er ultrakorte sammenhængende lysimpulser, der cirkulerer inde i optiske mikroresonatorer. På grund af dette, disse frekvenskamme kaldes almindeligvis 'soliton -mikrokamre'.

Generering af soliton -mikrokamre kræver ikke -lineære mikroresonatorer, og disse kan bygges direkte på chip ved hjælp af CMOS nanofabrikationsteknologi. Co-integration med elektroniske kredsløb og integrerede lasere baner vejen for at bekæmpe miniaturisering, tillader en lang række applikationer inden for metrologi, spektroskopi og kommunikation.

Udgivelse i Natur fotonik , et EPFL -forskerteam ledet af Tobias J. Kippenberg har nu demonstreret integrerede soliton -mikrokamre med gentagelseshastigheder så lave som 10 GHz. Dette blev opnået ved markant at sænke de optiske tab for integrerede fotoniske bølgeledere baseret på siliciumnitrid, et materiale, der allerede er brugt i CMOS mikro-elektroniske kredsløb, og som også er blevet brugt i det sidste årti til at bygge fotoniske integrerede kredsløb, der styrer laserlys on-chip.

Forskerne var i stand til at fremstille siliciumnitridbølgeledere med det laveste tab i ethvert fotonisk integreret kredsløb. Ved hjælp af denne teknologi, de genererede koherente solitonpulser har gentagelseshastigheder i både mikrobølgeovnen K- (~ 20 GHz, bruges i 5G) og X-bånd (~ 10 GHz, bruges i radarer).

De resulterende mikrobølgesignaler har fase -støjegenskaber på niveau med eller endda lavere end kommercielle elektroniske mikrobølgesyntesere. Demonstrationen af ​​integrerede soliton mikrokamre ved mikrobølge gentagelseshastigheder bygger bro inden for integreret fotonik, ikke -lineær optik og mikrobølge fotonik.

EPFL -teamet opnåede et niveau af optiske tab, der var lavt nok til, at lys kunne sprede sig næsten 1 meter i en bølgeleder, der kun er 1 mikrometer i diameter, eller cirka 100 gange mindre end et menneskehår. Dette tabsniveau er stadig mere end tre størrelsesordener højere end værdien i optiske fibre, men repræsenterer det laveste tab i enhver stramt begrænset bølgeleder for integreret ikke -lineær fotonik til dato.

Et sådant lavt tab er resultatet af en ny fremstillingsproces, der er udviklet af EPFL -forskere - »fotonisk siliciumnitrid -Damascene -proces«. "Denne proces, ved udførelse ved hjælp af dyb-ultraviolet stepper litografi, giver virkelig spektakulær præstation med hensyn til lavt tab, som ikke kan opnås ved hjælp af konventionelle nanofabrikationsteknikker, "siger Junqiu Liu, papirets første forfatter, der også leder fremstillingen af ​​siliciumnitrid nanofotoniske chips i EPFL's Center for MicroNanoTechnology (CMi). "Disse mikrokamre, og deres mikrobølgesignaler, kunne være kritiske elementer for at bygge fuldt integrerede støjsvage mikrobølgeoscillatorer til fremtidige arkitekturer af radarer og informationsnetværk. "

EPFL-teamet arbejder allerede sammen med samarbejdspartnere i USA for at udvikle hybridintegrerede soliton-mikrocomb-moduler, der kombinerer chipskala halvlederlasere. Disse meget kompakte mikrokamre kan påvirke mange applikationer - f.eks. transceivere i datacentre, LiDAR, kompakte optiske atomure, optisk kohærens tomografi, mikrobølgeovn fotonik, og spektroskopi.