Chips fotónicos de nitruro de silicio integrados con actuadores de nitruro de aluminio. Crédito:Jijun He, Junqiu Liu (EPFL)
Los materiales piezoeléctricos pueden convertir voltaje eléctrico en desplazamiento mecánico y viceversa. Son omnipresentes en las redes de comunicación inalámbrica modernas, como en los teléfonos móviles. Hoy dia, dispositivos piezoeléctricos, incluyendo filtros, transductores y osciladores, se utilizan en miles de millones de dispositivos para comunicaciones inalámbricas, posicionamiento global, navegaciones, y aplicaciones espaciales.
En un artículo publicado en Naturaleza , una colaboración dirigida por el profesor Tobias J. Kippenberg de la EPFL y el profesor Sunil A. Bhave de la Universidad de Purdue ha combinado la tecnología de nitruro de aluminio piezoeléctrico (AlN), utilizada en los filtros de radiofrecuencia de los teléfonos móviles modernos, con nitruro de silicio de pérdida ultrabaja (Si 3 norte 4 ) fotónica integrada, demostrando un nuevo esquema para la modulación acústico-óptica en chip.
El circuito híbrido permite la actuación de banda ancha en guías de ondas fotónicas con potencia eléctrica ultrabaja, una hazaña que hasta ahora ha sido un desafío. El circuito en sí se fabricó utilizando procesos de fundición compatibles con CMOS, que son ampliamente utilizados para construir microprocesadores, microcontroladores, chips de memoria, y otros circuitos lógicos digitales.
Luz y sonido
Para construir el circuito, los científicos usaron Si 3 norte 4 , que se ha convertido en un material líder para la escala de virutas, peines de frecuencia óptica basados en microrresonadores ("micropeines"). Los micropeines se utilizan en una amplia gama de aplicaciones que exigen precisión, incluyendo comunicaciones coherentes, calibración del espectrómetro astronómico, rango ultrarrápido, síntesis de microondas de bajo ruido, relojes atómicos ópticos, y más recientemente, LiDAR coherente paralelo.
Los investigadores fabricaron actuadores piezoeléctricos de AlN sobre el Si de pérdida ultrabaja 3 norte 4 circuitos fotónicos, y les aplicó una señal de voltaje. La señal indujo ondas acústicas masivas electromecánicamente, que puede modular el microcombustible generado en el Si 3 norte 4 circuitos. En breve, el sonido sacude la luz.
Una característica clave de este esquema es que mantiene la pérdida ultrabaja de Si 3 norte 4 circuitos. "Este logro representa un nuevo hito para la tecnología microcomb, puentear fotónica integrada, Ingeniería de sistemas microelectromecánicos y óptica no lineal, "dice Junqiu Liu, quien lidera la fabricacion de Si 3 norte 4 chips fotónicos en el Centro de MicroNanoTechnology (CMi) de EPFL. "Al aprovechar las interacciones piezoeléctricas y acústico-ópticas en masa, permite la modulación óptica en el chip con una velocidad sin precedentes y un consumo de energía ultrabajo ".
Imagen de microscopio que muestra los actuadores piezoeléctricos que cubren los circuitos fotónicos de nitruro de silicio. Crédito:Junqiu Liu, Rui Ning Wang
Dos nuevas aplicaciones
Usando el nuevo sistema híbrido, los investigadores demostraron dos aplicaciones independientes:Primero, la optimización de un LiDAR coherente masivamente paralelo basado en microcombustibles, basado en su trabajo anterior también publicado en Naturaleza recientemente. Este enfoque podría proporcionar una ruta hacia motores LiDAR basados en chips impulsados por circuitos microelectrónicos CMOS.
Segundo, construyeron aisladores ópticos sin imanes mediante la modulación espacio-temporal de un Si 3 norte 4 microrresonador que fue publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza . "El estrecho confinamiento vertical de las ondas acústicas a granel evita la diafonía y permite una ubicación cercana de los actuadores, que es un desafío para lograr en moduladores de silicio p-i-n, "dice Hao Tian, quien fabricó los actuadores piezoeléctricos en la sala limpia Scifres en el Centro de Nanotecnología Birck de Purdue.
La nueva tecnología podría impulsar las aplicaciones de microcombustibles en sistemas de energía crítica, p.ej. en el espacio, centros de datos y relojes atómicos portátiles, o en ambientes extremos como temperaturas criogénicas. "Las solicitudes hasta ahora imprevistas se realizarán en varias comunidades, ", dice el profesor Kippenberg." Se ha demostrado una y otra vez que los sistemas híbridos pueden obtener ventajas y funcionalidades más allá de las que se obtienen con componentes individuales ".
"Recientemente leí un Científico americano artículo que realmente me impactó, "agrega el profesor Bhave." Se llama, "Por qué la ciencia es mejor cuando es multinacional". Nuestros resultados no serían posibles sin esta colaboración multidisciplinar e intercontinental ".
