瑞士大學(xué)降低氮化硅基集成光子波導(dǎo)的光損耗

  瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院降低氮化硅基集成光子波導(dǎo)的光損耗，實(shí)現(xiàn)可為微電子集成的孤子微梳

  ICC訊 據(jù)大國重器報(bào)道，近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)通過顯著降低基于氮化硅的集成光子波導(dǎo)的光損耗，實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率低至10GHz的集成式孤子微梳。氮化硅已經(jīng)被用于CMOS微電子電路中，過去十年來，這種材料也被用于構(gòu)建光子集成電路。研究成果發(fā)表在《自然-光子學(xué)》雜志。

  信息社會，無線網(wǎng)絡(luò)、電信、雷達(dá)應(yīng)用中無線電和微波信號的合成、分發(fā)和處理無處不在。目前的趨勢是使用更高頻段的載波，尤其是5G和物聯(lián)網(wǎng)等需求帶來的帶寬瓶頸迫在眉睫。“微波光電學(xué)”是微波工程和光電子學(xué)的結(jié)合，也許可以提供一個(gè)解決方案。

  微波光電學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分是光頻梳，可提供數(shù)百條等距和相干激光線。它們是以穩(wěn)定的重復(fù)頻率發(fā)射的超短光脈沖，其頻率間隔與光梳線的頻率間隔精確對應(yīng)。脈沖的光電探測產(chǎn)生了一個(gè)微波載波。

  近年來，在由連續(xù)波激光器驅(qū)動的非線性微諧振器制成的芯片級頻率梳方面取得了重大進(jìn)展。這些頻率梳依賴于克爾耗散孤子形成，是在光學(xué)微諧振器內(nèi)部循環(huán)的超短相干光脈沖。因此，這些頻率梳通常被稱為“孤子微梳”。

  生成孤子微梳需要非線性微諧振器，而這些微諧振器可以利用CMOS納米制造技術(shù)進(jìn)行制造。電子電路和激光器的集成為光梳微型化鋪平了道路，使其能夠在計(jì)量、光譜學(xué)和通信等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。

  研究人員開發(fā)出一種新制造工藝—“氮化硅光子鑲嵌工藝”，制造出可在所有光電集成電路實(shí)現(xiàn)最低損耗的氮化硅波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了低到足以讓光在直徑只有1微米的波導(dǎo)中傳播近1米的光損耗水平，1微米的波導(dǎo)比人的頭發(fā)小100倍，產(chǎn)生的相干孤子脈沖在微波K波段(～20GHz，用于5G)和X波段(～10GHz，用于雷達(dá))都有重復(fù)頻率。

  研究人員表示，這個(gè)損耗水平仍然比光纖高出三個(gè)數(shù)量級以上，但代表了迄今為止所有用于集成非線性光子學(xué)的緊密約束波導(dǎo)中的最低損耗。EPFL微納米技術(shù)中心(CMi)的氮化硅納米光子芯片的制造負(fù)責(zé)人，論文的第一作者Junqiu Liu說：“這種工藝在使用深紫外步進(jìn)式光刻技術(shù)進(jìn)行時(shí)，能夠在低損耗方面提供真正卓越的性能，這是傳統(tǒng)的納米制造技術(shù)無法達(dá)到的。”

  基于研究成果，產(chǎn)生的微波信號的相位噪聲特性與商用電子微波合成器相當(dāng)，甚至更低。在微波重復(fù)頻率下的集成孤子微梳的演示，將集成光子學(xué)、非線性光學(xué)和微波光子學(xué)等領(lǐng)域聯(lián)系在一起。Junqiu Liu說：“這些微梳及其微波信號，將是構(gòu)建完全集成的低噪聲微波振蕩器的關(guān)鍵，滿足未來雷達(dá)和信息網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)的使用?！?

  EPFL團(tuán)隊(duì)已與美國的合作者合作，開發(fā)出結(jié)合了芯片級半導(dǎo)體激光器的混合集成孤子微梳模塊。這些高度緊湊的微梳可以影響到許多應(yīng)用，如數(shù)據(jù)中心的收發(fā)器、LiDAR、緊湊型光學(xué)原子鐘、光學(xué)相干斷層掃描、微波光子學(xué)和光譜學(xué)等。

      信息來源：https://www.semiconductor-digest.com/2020/04/20/photonic-microwave-generation-using-on-chip-optical-frequency-combs/