Ключевым строительным блоком микроволновой фотоники являются гребенки оптических частот, которые обеспечивают сотни эквидистантных и взаимно когерентных лазерных линий. Это ультракороткие оптические импульсы, излучаемые со стабильной частотой повторения, которая точно соответствует разносу частот гребенчатых линий. Фотодетектирование импульсов создает микроволновую несущую.
В последние годы был достигнут значительный прогресс в создании частотных гребенок в масштабе чипа, генерируемых нелинейными микрорезонаторами, управляемыми лазерами непрерывного действия. Эти частотные гребенки основаны на формировании диссипативных солитонов Керра, которые представляют собой сверхкороткие когерентные световые импульсы, циркулирующие внутри оптических микрорезонаторов.
Из-за этого эти частотные гребенки обычно называют "солитонными микрогребнями"."
Для генерации солитонных микрогребней необходимы нелинейные микрорезонаторы, которые могут быть построены непосредственно на кристалле с использованием технологии нанотехнологий CMOS.
Совместная интеграция с электронными схемами и встроенными лазерами прокладывает путь к устранению миниатюризации, обеспечивая множество приложений в метрологии, спектроскопии и связи.
Издание в Nature Photonics, исследовательская группа EPFL под руководством Тобиаса Дж. Киппенберг продемонстрировал интегрированные солитонные микрогребни с частотой повторения до 10 ГГц. Это было достигнуто за счет значительного снижения оптических потерь в интегрированных фотонных волноводах на основе нитрида кремния, материала, уже используемого в микроэлектронных схемах КМОП, и который также использовался в последнее десятилетие для создания фотонных интегральных схем, направляющих лазерный свет на- чип.
Ученым удалось изготовить волноводы из нитрида кремния с самыми низкими потерями среди всех фотонных интегральных схем. При использовании этой технологии генерируемые когерентные солитонные импульсы имеют частоту повторения как в микроволновом диапазоне K- (~ 20 ГГц, используется в 5G), так и в X-диапазоне (~ 10 ГГц, используется в радарах).
Получаемые в результате микроволновые сигналы имеют характеристики фазового шума на уровне или даже ниже, чем у коммерческих электронных микроволновых синтезаторов. Демонстрация интегрированных солитонных микрогребней при частотах следования микроволн объединяет области интегральной фотоники, нелинейной оптики и микроволновой фотоники.
Команда EPFL достигла уровня оптических потерь, достаточно низкого, чтобы позволить свету распространяться почти на 1 метр в волноводе, диаметр которого составляет всего 1 микрометр, что в 100 раз меньше, чем у человеческого волоса.
Этот уровень потерь все еще более чем на три порядка выше, чем значение в оптических волокнах, но представляет собой самые низкие потери в любом сильно ограничивающем волноводе для интегрированной нелинейной фотоники на сегодняшний день.
Такие низкие потери являются результатом нового производственного процесса, разработанного учеными EPFL – "фотонного дамасского процесса нитрида кремния".«Этот процесс, выполняемый с использованием шаговой литографии в глубоком ультрафиолете, дает поистине впечатляющие характеристики с точки зрения низких потерь, которые недостижимы с использованием традиционных методов нанопроизводства», – говорит Джунцю Лю, первый автор статьи, который также руководил производством кремния. нитридные нанофотонные чипы в Центре MicroNanoTechnology (CMi) EPFL. "Эти микрогребни и их микроволновые сигналы могут стать критически важными элементами для создания полностью интегрированных малошумящих микроволновых генераторов для будущих архитектур радаров и информационных сетей."
Команда EPFL уже работает с коллабораторами в США над разработкой гибридно-интегрированных солитонных микрогребней, сочетающих полупроводниковые лазеры на уровне кристалла. Эти очень компактные микрогребни могут повлиять на многие приложения, например.грамм. приемопередатчики в центрах обработки данных, LiDAR, компактные оптические атомные часы, оптическая когерентная томография, микроволновая фотоника и спектроскопия.