In onze informatiemaatschappij de synthese, verdeling, en verwerking van radio- en microgolfsignalen zijn alomtegenwoordig in draadloze netwerken, telecommunicatie, en radars. De huidige tendens is om draaggolven te gebruiken in hogere frequentiebanden, vooral met dreigende bandbreedteknelpunten als gevolg van de vraag naar, bijvoorbeeld, 5G en het 'internet der dingen'. 'Magnetron fotonica, ' een combinatie van microgolftechniek en opto-elektronica, wellicht een oplossing bieden.

Een belangrijke bouwsteen van microgolffotonica zijn optische frequentiekammen, die honderden op gelijke afstanden en onderling coherente laserlijnen opleveren. Het zijn ultrakorte optische pulsen die worden uitgezonden met een stabiele herhalingssnelheid die precies overeenkomt met de frequentie-afstand van kamlijnen. De fotodetectie van de pulsen produceert een microgolfdrager.

In de afgelopen jaren is er aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van frequentiekammen op chipschaal die worden gegenereerd door niet-lineaire microresonatoren die worden aangedreven door lasers met continue golf. Deze frequentiekammen zijn afhankelijk van de vorming van dissipatieve Kerr-soltonen, dat zijn ultrakorte coherente lichtpulsen die circuleren in optische microresonatoren. Daarom, deze frequentiekammen worden gewoonlijk 'soliton-microkammen' genoemd.

Het genereren van soliton-microkammen vereist niet-lineaire microresonatoren, en deze kunnen direct op de chip worden gebouwd met behulp van CMOS-nanofabricagetechnologie. Co-integratie met elektronische schakelingen en geïntegreerde lasers effent de weg om miniaturisatie, waardoor een groot aantal toepassingen in de metrologie, spectroscopie en communicatie.

Publiceren in Natuurfotonica , een EPFL-onderzoeksteam onder leiding van Tobias J. Kippenberg heeft nu geïntegreerde soliton-microkammen gedemonstreerd met herhalingssnelheden zo laag als 10 GHz. Dit werd bereikt door de optische verliezen van geïntegreerde fotonische golfgeleiders op basis van siliciumnitride aanzienlijk te verlagen, een materiaal dat al wordt gebruikt in CMOS micro-elektronische circuits, en die in het afgelopen decennium ook is gebruikt om fotonische geïntegreerde schakelingen te bouwen die laserlicht op de chip geleiden.

De wetenschappers waren in staat siliciumnitride-golfgeleiders te vervaardigen met het laagste verlies in alle fotonische geïntegreerde schakelingen. Met behulp van deze technologie, de gegenereerde coherente solitonpulsen hebben herhalingssnelheden in zowel de microgolf K- (~20 GHz, gebruikt in 5G) en X-band (~10 GHz, gebruikt in radars).

De resulterende microgolfsignalen hebben faseruiseigenschappen die vergelijkbaar zijn met of zelfs lager zijn dan die van commerciële elektronische microgolfsynthesizers. De demonstratie van geïntegreerde soliton-microkammen met herhalingsfrequenties van microgolven overbrugt de velden van geïntegreerde fotonica, niet-lineaire optica en microgolffotonica.

Het EPFL-team bereikte een niveau van optische verliezen dat laag genoeg is om licht bijna 1 meter lang te laten voortplanten in een golfgeleider met een diameter van slechts 1 micrometer. of ongeveer 100 keer kleiner dan een mensenhaar. Dit verliesniveau is nog steeds meer dan drie ordes van grootte hoger dan de waarde in optische vezels, maar vertegenwoordigt tot nu toe het laagste verlies in een strak opsluitende golfgeleider voor geïntegreerde niet-lineaire fotonica.

Een dergelijk laag verlies is het resultaat van een nieuw fabricageproces dat is ontwikkeld door EPFL-wetenschappers:het 'siliciumnitride fotonische Damascene-proces'. "Dit proces, wanneer uitgevoerd met behulp van diep-ultraviolette stepper-lithografie, geeft werkelijk spectaculaire prestaties in termen van laag verlies, wat niet haalbaar is met conventionele nanofabricagetechnieken, " zegt Junqiu Liu, de eerste auteur van het artikel die ook leiding geeft aan de fabricage van siliciumnitride nanofotonische chips bij EPFL's Center of MicroNanoTechnology (CMi). "Deze microkammen, en hun microgolfsignalen, zouden cruciale elementen kunnen zijn voor het bouwen van volledig geïntegreerde geluidsarme microgolfoscillatoren voor toekomstige architecturen van radars en informatienetwerken."

Het EPFL-team werkt al samen met medewerkers in de VS om hybride-geïntegreerde soliton-microkammodules te ontwikkelen die halfgeleiderlasers op chipschaal combineren. Deze zeer compacte microkammen kunnen van invloed zijn op veel toepassingen, b.v. transceivers in datacenters, LiDAR, compacte optische atoomklokken, optische coherentietomografie, magnetron fotonica, en spectroscopie.