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Oct 05, 2023Oct 05, 2023

Natura volume 605, pagine 457–463 (2022)Citare questo articolo

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84 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

I microcomb hanno dato il via a un'ondata di applicazioni negli ultimi dieci anni, che vanno dalle comunicazioni ottiche alla metrologia1,2,3,4. Nonostante la loro diversa implementazione, la maggior parte dei sistemi basati su microcomb si affida a una grande quantità di elementi e apparecchiature ingombranti per svolgere le funzioni desiderate, il che è complicato, costoso e consumante. Al contrario, la fotonica del silicio (SiPh) basata sulla fonderia ha avuto un notevole successo nel fornire funzionalità versatili in modo scalabile ed economico5,6,7, ma le sorgenti luminose disponibili basate su chip non hanno la capacità di parallelizzazione, il che limita la portata delle applicazioni SiPh. Qui combiniamo queste due tecnologie utilizzando una sorgente microcomb di alluminio-gallio-arseniuro su isolante efficiente dal punto di vista energetico e semplice dal punto di vista operativo per azionare motori SiPh complementari a semiconduttore-ossido di metallo. Presentiamo due importanti sistemi fotonici su scala chip rispettivamente per la trasmissione ottica di dati e la fotonica a microonde. Viene dimostrato un collegamento dati fotonico integrato basato su microcomb, basato su uno schema di modulazione a quattro livelli di ampiezza dell'impulso con una velocità aggregata di due terabit al secondo, e viene costruito un filtro fotonico a microonde altamente riconfigurabile con un alto livello di integrazione utilizzando un approccio di allungamento temporale. Tale sinergia tra un microcomb e componenti integrati SiPh è un passo essenziale verso la prossima generazione di sistemi fotonici completamente integrati.

La fotonica integrata sta influenzando profondamente la comunicazione dei dati e l'elaborazione dei segnali8,9,10. Uno sviluppo cruciale nell'ultimo decennio è la dimostrazione dei microcomb Kerr, che forniscono linee di frequenza ottica reciprocamente coerenti ed equidistanti generate da microrisonatori1,11,12. Con un'ampia gamma di sistemi optoelettronici basati su microcomb2,4,13,14,15,16,17,18 dimostrati di recente, queste sorgenti luminose integrate mantengono la promessa di estendere lo spazio applicativo della fotonica integrata a un ambito molto più ampio. Tuttavia, nonostante gli enormi progressi compiuti nell’integrazione dei microcomb19,20,21,22,23, in quasi tutte le dimostrazioni a livello di sistema che sfruttano le tecnologie dei microcomb, i generatori di pettini passivi sono ancora l’unico componente integrato. Il resto del sistema, compresi i laser di pompaggio a pettine, i componenti ottici attivi e passivi e l'elettronica di supporto, di solito si basa su apparecchiature ingombranti, costose e che consumano energia, minando così i vantaggi promessi della fotonica integrata.

Al contrario, i progressi nella tecnologia della fotonica del silicio (SiPh) hanno fornito una soluzione scalabile e a basso costo per miniaturizzare i sistemi ottici6,24,25, beneficiando di una produzione compatibile con semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS). Questi "motori fotonici" sono stati commercializzati nelle interconnessioni di dati26,27 e ampiamente applicati in altri campi28,29,30,31. Tuttavia, un ingrediente chiave mancante nei circuiti integrati fotonici (PIC) basati su silicio su isolante (SOI) basati sulla fonderia è la sorgente a lunghezze d'onda multiple. Ad esempio, l’attuale modulo ricetrasmettitore fotonico all’avanguardia contiene un array laser a feedback distribuito (DFB) a otto canali per il multiplexing a divisione di lunghezza d’onda (WDM)32. L'aumento del numero di canali in un sistema di questo tipo richiede un notevole sforzo di progettazione, come la stabilizzazione della spaziatura tra linee e un aumento del carico di lavoro di assemblaggio. Inoltre, la mancanza di coerenza reciproca tra le linee dei canali limita molte applicazioni, come la metrologia precisa tempo-frequenza.

Sebbene l’interfacciamento di queste due tecnologie sia essenziale per affrontare i problemi sopra menzionati da entrambe le parti, fino ad ora tale combinazione è rimasta sfuggente. In precedenza, sebbene le combinazioni di un microcomb e altri componenti fotonici abbiano mostrato potenziale nel calcolo ottico15, negli orologi atomici4 e nei sistemi sintetizzatori3, queste dimostrazioni integrate si basano solitamente su processi di fabbricazione specializzati inadatti alla produzione in grandi volumi. Inoltre, le tecniche di avvio del pettine33,34 e di stabilizzazione35,36, che richiedono componenti ottici e elettronici discreti ad alte prestazioni, aumentano notevolmente la complessità operativa e le dimensioni del sistema. I recenti progressi nell'integrazione ibrida o eterogenea del laser-microcomb consentono la generazione di pettini su chip in modo semplificato21,22,23, ma questi schemi aggiungono complessità all'elaborazione. Queste difficoltà, insieme alle spese aggiuntive per l'abbinamento multicanale e altri pretrattamenti nelle operazioni del sistema, hanno finora ostacolato l'implementazione di un sistema funzionale laser-microcomb.

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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