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Micropente

Oct 05, 2023Oct 05, 2023

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.

33-GHz electro-optical bandwidth are used (Fig. 2f). Heaters are used to match up the modulators with the comb channels by thermal tuning (Fig. 2g). A representative result for such phase compensation in a modulator at different channel wavelengths is shown in Fig. 2g (left). To implement on-chip true-time delays, spiral waveguides with adiabatic bends are designed, as shown in Fig. 2h. The deviation of 60-ps delay lines is within 3 ps. Figure 2i shows the germanium (Ge) photodetector (PD) with about 0.5–0.8 A W−1 at different on-chip power levels, and with a saturation power of approximately 20 mW. A microring filter array is used here to control the comb lines individually, as shown in Fig. 2j. A 180-GHz-wide (2 free spectral range (FSR)) channel-selecting range can be obtained with 20-mW heater power (Methods). In addition, the SiPh devices support system-level assembly with electronic integrated chips (Fig. 2k), allowing future integration of low-noise trans-impedance amplifiers and high-speed drivers./p>20-dB main-to-sidelobe suppression ratio) is achieved using the dispersive delay scheme, with a subgigahertz-level filtering BW tunability. The results in Fig. 4e, f show the reconfigurability of RF FSR by modifying the comb line spacing: comb line spacings of 5.6 nm, 2.8 nm and 1.4 nm result in RF filtering response FSRs of 1.8 GHz, 3.6 GHz and 7.2 GHz, respectively. In contrast with other state-of-the-art microcomb-based MPFs using either bulk OSS46,47 or changing soliton states13, this work significantly advances the degree of integration and the reconfiguration speed (about 53 μs; Methods), which are crucial for modern wireless communications and avionic applications./p>10 Tbps by broadening the operation wavelength to the L band and the S band. The performance of the DFB-pumped integrated comb source is mainly limited by the relatively high noise floor of the free-running DFB laser (Methods), which lowers the optical signal-to-noise ratio (OSNR). For the RF filter, a narrower filtering BW (down to subgigahertz) and a higher tuning resolution can be obtained by increasing the number of tap channels used in the finite impulse response configurations43, that is, expansion of the MRA./p>2 million can be obtained in the AlGaAsOI resonator, corresponding to a waveguide loss of <0.3 dB cm−1. The fraction of aluminium is 0.2, which corresponds to a two-photon absorption wavelength of around 1,480 nm. The epitaxial wafer growth was accomplished using molecular-beam epitaxy. A 248-nm deep-ultraviolet stepper was used for the lithography. A photoresist reflow process and an optimized dry etch process were applied in waveguide patterning to minimize waveguide scattering loss. More fabrication details can be found in refs. 52,53. The SiPh PIC, including its Si modulators and Si–Ge PDs, was fabricated on a 200-mm SOI wafer with a Si-layer thickness of 220 nm and a buried oxide layer thickness of 2 μm using CMOS-compatible processes at CompoundTek Pte in a one-to-one 200-mm-wafer run with its standard 90-nm lithography SOI process. The waveguide loss in this SiPh platform is approximately 1.2 dB cm−1 in the C band. In our experiment, lensed fibres with different mode field diameters were selected for the AlGaAsOI and SOI chips; the coupling loss is about 3–5 dB per facet for AlGaAsOI waveguides and about 2–3 dB per facet for Si waveguides./p>30 GHz. The on-chip phase compensation units are MZI-based titanium nitride (TiN) microheaters. The resistance is approximately 200 Ω. The TiN metal layer is about 1 μm above the Si layer, ensuring a heating efficiency of about 20 mW π−1. Meanwhile, a deep trench process is utilized to isolate each microheater to diminish thermal cross-talk. For the on-chip true-time delay line, we adopted a 2-μm-wide multimode Si waveguide for low-loss transmission. Euler curves were used in the spiral waveguide for adiabatic bending. For a 60-ps Si delay line, the total loss is <0.5 dB, with a delay-time variation of <3% among 8 tested devices. For the vertical epitaxial Ge PD, the responsivity declines with the increasing on-chip power. A saturated point of about 20 mW could be reached when the power is further increased. Microring filters employed for WDM could be tuned by microheaters, with which a 180-GHz channel spacing can be obtained under 20-mW power dissipation. The CMOS drivers for signal amplification before injection into the Si MZM (not used in the high-bit-rate (>50 Gbps) signal transmission experiment) show a 3-dB gain BW of about 24 GHz./p>

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