En nuestra sociedad de la información, la síntesis, distribución, y el procesamiento de señales de radio y microondas son omnipresentes en las redes inalámbricas, telecomunicaciones y radares. La tendencia actual es utilizar portadoras en bandas de frecuencias más altas, especialmente con los cuellos de botella de ancho de banda que se avecinan debido a las demandas de, por ejemplo, 5G y el "Internet de las cosas". 'Fotónica de microondas, 'una combinación de ingeniería de microondas y optoelectrónica, podría ofrecer una solución.

Un componente clave de la fotónica de microondas son los peines de frecuencia óptica, que proporcionan cientos de líneas láser equidistantes y mutuamente coherentes. Son pulsos ópticos ultracortos emitidos con una tasa de repetición estable que corresponde exactamente 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 microrresonadores no lineales impulsados ​​por láseres de onda continua. Estos peines de frecuencia se basan en la formación de solitones de Kerr disipativos, que son pulsos de luz ultracortos y coherentes que circulan dentro de microrresonadores ópticos. Debido a esto, estos peines de frecuencia se denominan comúnmente "micropenales de solitón".

La generación de micropenales de solitones requiere microrresonadores no lineales, y estos se pueden construir directamente en el chip utilizando 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, espectroscopia y comunicaciones.

Publicando en Fotónica de la naturaleza , un equipo de investigación de la EPFL dirigido por Tobias J. Kippenberg ahora ha demostrado micropenales de solitón integrados con tasas de repetición tan bajas como 10 GHz. Esto se logró reduciendo significativamente las pérdidas ópticas de las guías de ondas fotónicas integradas basadas en nitruro de silicio, un material ya utilizado en circuitos microelectrónicos CMOS, y que también se ha utilizado en la última década para construir circuitos integrados fotónicos que guían la luz láser en el chip.

Los científicos pudieron fabricar guías de ondas de nitruro de silicio con la menor pérdida en cualquier circuito integrado fotónico. Usando esta tecnología, los pulsos de solitones coherentes generados tienen tasas de repetición tanto en el microondas K- (~ 20 GHz, utilizado en 5G) y banda X (~ 10 GHz, utilizado en radares).

Las señales de microondas resultantes presentan propiedades de ruido de fase a la par o incluso inferiores a las de los sintetizadores de microondas electrónicos comerciales. La demostración de micropenales de solitones integrados a tasas de repetición de microondas une los campos de la fotónica integrada, Óptica no lineal y 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. o aproximadamente 100 veces más pequeño que un cabello humano. Este nivel de pérdida es todavía más de tres órdenes de magnitud mayor que el valor en fibras ópticas, pero representa la pérdida más baja en cualquier guía de ondas estrechamente confinada para fotónica no lineal integrada hasta la fecha.

Esta baja pérdida es el resultado de un nuevo proceso de fabricación desarrollado por los científicos de EPFL:el "proceso de Damasceno fotónico de nitruro de silicio". "Este proceso, cuando se lleva a cabo utilizando litografía paso a paso ultravioleta profunda, ofrece un rendimiento realmente espectacular en términos de bajas pérdidas, que no es alcanzable usando técnicas convencionales de nanofabricación, "dice Junqiu Liu, primer autor del artículo que también dirige la fabricación de chips nanofotónicos de nitruro de silicio en el Centro de MicroNanoTechnology (CMi) de EPFL. "Estos micropenales, 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 microcombustibles solitones integrados híbridos que combinan láseres semiconductores a escala de chip. Estos micropenales altamente compactos pueden afectar muchas aplicaciones, p. Ej. transceptores en centros de datos, LiDAR, relojes atómicos ópticos compactos, La tomografía de coherencia óptica, fotónica de microondas, y espectroscopia.