Chips fotônicos de nitreto de silício integrados com atuadores de nitreto de alumínio. Crédito:Jijun He, Junqiu Liu (EPFL)
Os materiais piezoelétricos podem converter a tensão elétrica em deslocamento mecânico e vice-versa. Eles são onipresentes nas redes de comunicação sem fio modernas, como nos telefones celulares. Hoje, dispositivos piezoelétricos, incluindo filtros, transdutores e osciladores, são usados em bilhões de dispositivos para comunicações sem fio, posicionamento global, navegações, e aplicações espaciais.
Em um artigo publicado em Natureza , uma colaboração liderada pelo Professor Tobias J. Kippenberg na EPFL e Professor Sunil A. Bhave na Purdue University combinou a tecnologia de nitreto de alumínio piezoelétrico (AlN) - usada em filtros de radiofrequência de telefones celulares modernos - com nitreto de silício de perda ultrabaixa (Si 3 N 4 ) fotônica integrada, demonstrando um novo esquema para modulação acústico-óptica on-chip.
O circuito híbrido permite a atuação de banda larga em guias de ondas fotônicas com energia elétrica ultrabaixa - uma façanha que tem sido desafiadora até agora. O circuito em si foi fabricado usando processos de fundição compatíveis com CMOS, que são amplamente usados para construir microprocessadores, microcontroladores, chips de memória, e outros circuitos lógicos digitais.
Luz e som
Para construir o circuito, os cientistas usaram Si 3 N 4 , que emergiu como um material líder em escala de chips, pentes de frequência óptica baseados em microresonador ("microcombs"). As microcombas são usadas em uma variedade de aplicações que exigem precisão, incluindo comunicações coerentes, calibração do espectrômetro astronômico, alcance ultrarrápido, síntese de micro-ondas de baixo ruído, relógios atômicos ópticos, e mais recentemente, LiDAR coerente paralelo.
Os pesquisadores fabricaram atuadores piezoelétricos de AlN no topo do Si de ultra-baixa perda 3 N 4 circuitos fotônicos, e aplicou um sinal de voltagem sobre eles. O sinal induziu ondas acústicas volumosas eletromecanicamente, que pode modular a microcombina gerada no Si 3 N 4 circuitos. Resumidamente, o som abala a luz.
Uma característica fundamental deste esquema é que ele mantém a perda ultrabaixa de Si 3 N 4 circuitos. "Esta conquista representa um novo marco para a tecnologia de microcombas, ponte fotônica integrada, engenharia de sistemas microeletromecânicos e óptica não linear, "diz Junqiu Liu, quem lidera a fabricação de Si 3 N 4 chips fotônicos no Centro de MicroNanoTecnologia (CMi) da EPFL. "Aproveitando as interações piezoelétricas e acústico-ópticas em massa, ele permite a modulação óptica no chip com velocidade sem precedentes e consumo de energia ultrabaixo. "
Imagem de microscópio mostrando os atuadores piezoelétricos cobrindo os circuitos fotônicos de nitreto de silício. Crédito:Junqiu Liu, Rui Ning Wang
Dois novos aplicativos
Usando o novo sistema híbrido, os pesquisadores demonstraram duas aplicações independentes:primeiro, a otimização de um LiDAR coerente maciçamente paralelo baseado em microcombas, com base em seu trabalho anterior também publicado em Natureza recentemente. Esta abordagem pode fornecer uma rota para motores LiDAR baseados em chip acionados por circuitos microeletrônicos CMOS.
Segundo, eles construíram isoladores ópticos livres de ímã por modulação espaço-temporal de um Si 3 N 4 microrressonador, que foi publicado recentemente em Nature Communications . "O estreito confinamento vertical das ondas acústicas em massa evita a interferência e permite a colocação próxima dos atuadores, que é um desafio de alcançar em moduladores de silício p-i-n, "diz Hao Tian, que fabricou os atuadores piezoelétricos na sala limpa Scifres no Centro de Nanotecnologia Birck de Purdue.
A nova tecnologia pode fornecer ímpeto para aplicações de microcombas em sistemas de energia crítica, por exemplo. no espaço, datacenters e relógios atômicos portáteis, ou em ambientes extremos, como temperaturas criogênicas. "Aplicativos ainda imprevistos seguirão em várias comunidades, "diz o professor Kippenberg." Tem sido demonstrado repetidas vezes que os sistemas híbridos podem obter vantagens e funcionalidade além daquelas obtidas com constituintes individuais. "
"Eu li recentemente um Americano científico artigo que realmente ressoou em mim, "acrescenta o professor Bhave." É chamado, "Por que a ciência é melhor quando é multinacional." Nossos resultados não seriam possíveis sem esta colaboração multidisciplinar e intercontinental. "
