Новый фотонный чип — полный пакет

Ученые из Сиднейского университета объединили фотонный фильтр и модулятор на одном чипе таким образом, чтобы они могли точно обнаруживать сигналы в широком диапазоне радиочастотного (РЧ) спектра. Эта работа приближает фотонные чипы на один шаг к тому моменту, когда они потенциально заменят более громоздкие и сложные электронные радиочастотные чипы в оптоволоконных сетях.


Команда Сиднея использовала вынужденное рассеяние Бриллюэна — метод, который включает преобразование электрических полей в волны давления в некоторых изоляторах, таких как оптические волокна. В 2011 году исследователи сообщили, что рассеяние Бриллюэна обладает потенциалом для фильтрации с высоким разрешением, и разработали новые технологии производства, позволяющие объединить халькогенидный волновод Бриллюэна на кремниевом чипе. В 2023 году удалось объединить фотонный фильтр и модулятор на одном типе чипа. Эта комбинация дает экспериментальному чипу спектральное разрешение 37 МГц и более широкую полосу пропускания, чем предыдущие чипы, сообщила команда в статье, опубликованной 20 ноября в журнале Nature Communications.


 — исследователь нанофотоники Дэвид Марпаунг из Университета Твенте в Нидерландах.

Марпаунг работал с Сиднейской группой десять лет назад, а сейчас возглавляет свою собственную исследовательскую группу, которая использует другой подход в поисках широкополосной фотонной радиочувствительности с высоким разрешением в крошечном корпусе. Марпаунг говорит, что когда кто-то достигнет спектрального разрешения ниже 10 МГц в диапазоне 100 гигагерц, он сможет заменить на рынке более громоздкие электронные радиочастотные чипы.

Еще одним преимуществом таких чипов является то, что они преобразуют радиочастотные сигналы в оптические сигналы для прямой передачи по оптоволоконным сетям. Победители этой гонки смогут выйти на огромный рынок телекоммуникационных провайдеров и производителей оборонной продукции, которым нужны радиоприемники, способные надежно работать в сложной радиочастотной (РЧ) среде.


 — Дэвид Марпаунг.

Сиднейской группе пришлось найти новый способ размещения халькогенидных волноводов в корпусе площадью 5 миллиметров в стандартном кремниевом чипе, что было непростой задачей. В 2017 году группа придумала, как объединить халькогенид в кремниевом кольце ввода/вывода, но только в этом году кто-то смог справиться с этой комбинацией с помощью стандартного чипа.

Другие исследовательские группы изучают различные материалы, которые также могут обеспечить сопоставимые характеристики. Ниобат лития, например, обладает лучшими модуляторными свойствами, чем кремний, и Марпаунг в работе, которая все еще проходит экспертную оценку, показал, что ниобат лития может обеспечить сопоставимую фильтрацию с высоким разрешением посредством рассеяния Бриллюэна.

Еще одна группа, возглавляемая Питером Ракичем из Йельского университета, в прошлом году показала, что комбинация кремниевого волновода и чипа может обеспечить фильтрацию 2,7 МГц в спектральном диапазоне 6 ГГц. В этой работе не использовался модулятор, но она намекает на потенциально более простой производственный процесс, который потребует меньшего количества материалов.

Тем не менее, подход сиднейской команды может потребовать лучших акустических характеристик, чем может обеспечить кремний. Исследователи знали об эффекте Бриллюэна уже более 100 лет, но в последние десятилетия к нему возобновился интерес. В прошлом исследователи использовали его для хранения информации в виде оптического импульса перед ее повторной передачей — трюк, который позволяет избежать необходимости преобразовывать свет в электричество и обратно.

Конечно, мечта об интегрированном фотонном чипе имеет много составляющих. Исследователи из Сиднея пишут, что модуляторы, производимые другими, быстро совершенствуются, что также помогает их технологиям. Другие достижения в смежных технологиях могут принести пользу другим группам, работающим над интегрированным фотонным чипом.


 — Дэвид Марпаунг.