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Nature volume 605, páginas 457–463 (2022) Cite este artigo
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Detalhes das métricas
Os microcombs provocaram uma onda de aplicações na última década, variando de comunicações ópticas a metrologia1,2,3,4. Apesar de sua implantação diversificada, a maioria dos sistemas baseados em microcomb depende de uma grande quantidade de elementos e equipamentos volumosos para cumprir suas funções desejadas, o que é complicado, caro e consome muita energia. Por outro lado, a fotônica de silício baseada em fundição (SiPh) teve um sucesso notável em fornecer funcionalidade versátil de maneira escalável e de baixo custo5,6,7, mas suas fontes de luz baseadas em chip disponíveis carecem da capacidade de paralelização, o que limita o escopo de aplicações SiPh. Aqui, combinamos essas duas tecnologias usando uma fonte de microcomb de alumínio-gálio-arsenieto-no-isolante eficiente em termos de energia e operacionalmente simples para acionar motores SiPh de semicondutores de óxido de metal complementares. Apresentamos dois importantes sistemas fotônicos em escala de chip para transmissão de dados ópticos e fotônica de micro-ondas, respectivamente. Um link de dados fotônico integrado baseado em microcomb é demonstrado, com base em um esquema de modulação de quatro níveis de amplitude de pulso com uma taxa agregada de dois terabits por segundo, e um filtro fotônico de micro-ondas altamente reconfigurável com alto nível de integração é construído usando uma abordagem de extensão de tempo. Essa sinergia de um microcomb e componentes integrados SiPh é um passo essencial para a próxima geração de sistemas fotônicos totalmente integrados.
A fotônica integrada está impactando profundamente a comunicação de dados e o processamento de sinais8,9,10. Um desenvolvimento crucial na última década é a demonstração de microcombs de Kerr, que fornecem linhas de frequência óptica mutuamente coerentes e equidistantes geradas por microrressonadores1,11,12. Com uma ampla gama de sistemas optoeletrônicos baseados em microcomb2,4,13,14,15,16,17,18 demonstrados recentemente, essas fontes de luz integradas prometem estender o espaço de aplicação da fotônica integrada para um escopo muito mais amplo. No entanto, apesar do tremendo progresso feito na integração de microcomb19,20,21,22,23, em quase todas as demonstrações em nível de sistema que utilizam tecnologias de microcomb, os geradores de pente passivo ainda são o único componente integrado. O restante do sistema, incluindo os lasers de bombeamento de pente, componentes ópticos passivos e ativos e a eletrônica de suporte, geralmente dependem de equipamentos volumosos, caros e que consomem muita energia, prejudicando assim os benefícios prometidos da fotônica integrada.
Em contraste, os avanços na tecnologia fotônica de silício (SiPh) forneceram uma solução escalável e de baixo custo para miniaturizar sistemas ópticos6,24,25, beneficiando-se da fabricação compatível com semicondutores de óxido de metal complementar (CMOS). Esses 'motores fotônicos' têm sido comercializados em interconexões de dados26,27 e amplamente aplicados em outros campos28,29,30,31. No entanto, um ingrediente-chave que falta nos circuitos integrados fotônicos (PICs) de silício sobre isolador (SOI) baseados em fundição é a fonte de múltiplos comprimentos de onda. Por exemplo, o atual módulo transceptor fotônico de última geração contém uma matriz de laser de feedback distribuído (DFB) de oito canais para multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM)32. Aumentar a contagem de canais em tal sistema requer esforço de projeto considerável, como estabilização de espaçamento linha a linha e aumento da carga de trabalho de montagem. Além disso, a falta de coerência mútua entre as linhas do canal restringe muitas aplicações, como a metrologia precisa de tempo-frequência.
Embora a interface dessas duas tecnologias seja essencial para resolver os problemas mencionados em ambos os lados, até agora, essa combinação permaneceu indefinida. Anteriormente, embora as combinações de um microcomb e outros componentes fotônicos tenham mostrado potencial em computação óptica15, relógios atômicos4 e sistemas sintetizadores3, essas demonstrações integradas geralmente dependem de processos de fabricação especializados inadequados para produção em alto volume. Além disso, as técnicas de inicialização33,34 e estabilização35,36 do pente, que requerem óptica discreta de alto desempenho e componentes eletrônicos, aumentam acentuadamente a complexidade da operação e o tamanho do sistema. O progresso recente na integração híbrida ou heterogênea laser-microcomb permite a geração de pente no chip de maneira simplificada21,22,23, mas esses esquemas adicionam complexidade no processamento. Essas dificuldades, junto com os gastos extras em combinação multicanal e outros pré-tratamentos nas operações do sistema, obstruíram até agora a implementação de um sistema funcional de microcomb a laser.