Em nossa sociedade da informação, a síntese, distribuição, e o processamento de sinais de rádio e microondas são onipresentes em redes sem fio, telecomunicações, e radares. A tendência atual é usar portadoras em bandas de frequência mais altas, especialmente com gargalos de largura de banda iminentes devido às demandas de, por exemplo, 5G e a "Internet das Coisas". 'Fotônica de microondas, 'uma combinação de engenharia de microondas e optoeletrônica, pode oferecer uma solução.

Um elemento chave da fotônica de micro-ondas são os combs de frequência óptica, que fornecem centenas de linhas de laser equidistantes e mutuamente coerentes. São pulsos ópticos ultracurtos emitidos com uma taxa de repetição estável que corresponde precisamente ao espaçamento de frequência das linhas de pente. A fotodetecção dos pulsos produz um portador de micro-ondas.

Nos últimos anos, houve um progresso significativo em pentes de frequência em escala de chip gerados a partir de microrressonadores não lineares acionados por lasers de onda contínua. Esses combs de frequência dependem da formação de solitons de Kerr dissipativos, que são pulsos de luz coerente ultracurtos que circulam dentro de microrressonadores ópticos. Por causa disso, esses pentes de frequência são comumente chamados de 'microcombas soliton'.

A geração de microcombas soliton requer microrressonadores não lineares, e estes podem ser construídos diretamente no chip usando a tecnologia de nanofabricação CMOS. A co-integração com circuitos eletrônicos e lasers integrados abre caminho para a miniaturização, permitindo uma série de aplicações em metrologia, espectroscopia e comunicações.

Publicando em Nature Photonics , uma equipe de pesquisa EPFL liderada por Tobias J. Kippenberg agora demonstrou microcombs soliton integradas com taxas de repetição tão baixas quanto 10 GHz. Isso foi conseguido reduzindo significativamente as perdas ópticas de guias de ondas fotônicas integradas com base em nitreto de silício, um material já utilizado em circuitos microeletrônicos CMOS, e que também foi usado na última década para construir circuitos integrados fotônicos que orientam a luz laser no chip.

Os cientistas foram capazes de fabricar guias de onda de nitreto de silício com a menor perda em qualquer circuito integrado fotônico. Usando esta tecnologia, os pulsos de solitons coerentes gerados têm taxas de repetição tanto no K- de microondas (~ 20 GHz, usado em 5G) e banda X (~ 10 GHz, usado em radares).

Os sinais de micro-ondas resultantes apresentam propriedades de ruído de fase iguais ou até mais baixas do que os sintetizadores eletrônicos de micro-ondas comerciais. A demonstração de microcombas soliton integradas em taxas de repetição de micro-ondas une os campos da fotônica integrada, óptica não linear e fotônica de microondas.

A equipe da EPFL atingiu um nível de perdas ópticas baixo o suficiente para permitir que a luz se propagasse por quase 1 metro em um guia de ondas com apenas 1 micrômetro de diâmetro, ou cerca de 100 vezes menor do que um fio de cabelo humano. Este nível de perda ainda é mais de três ordens de magnitude maior do que o valor em fibras ópticas, mas representa a perda mais baixa em qualquer guia de onda estreitamente confinante para fotônica não linear integrada até o momento.

Essa baixa perda é o resultado de um novo processo de fabricação desenvolvido por cientistas da EPFL - o 'processo damasceno fotônico de nitreto de silício'. "Este processo, quando realizada usando litografia stepper ultravioleta profunda, oferece um desempenho verdadeiramente espetacular em termos de baixa perda, que não é alcançável usando técnicas convencionais de nanofabricação, "diz Junqiu Liu, o primeiro autor do artigo que também lidera a fabricação de chips nanofotônicos de nitreto de silício no Centro de MicroNanoTecnologia (CMi) da EPFL. "Essas microcombas, e seus sinais de microondas, podem ser elementos críticos para a construção de osciladores de micro-ondas de baixo ruído totalmente integrados para futuras arquiteturas de radares e redes de informação. "

A equipe da EPFL já está trabalhando com colaboradores nos Estados Unidos para desenvolver módulos de microcombas soliton integrados híbridos que combinam lasers semicondutores em escala de chip. Esses microcombs altamente compactos podem impactar muitas aplicações - por exemplo, transceptores em datacenters, LiDAR, relógios atômicos ópticos compactos, Tomografia de coerência óptica, fotônica de microondas, e espectroscopia.