Un nuevo circuito integrado fotónico de bajo coste y alta eficiencia

El rápido avance de los circuitos integrados fotónicos (PIC), que combinan múltiples dispositivos ópticos y funcionalidades en un solo chip, ha revolucionado las comunicaciones ópticas y los sistemas informáticos.

Durante décadas, los PIC basados ​​en silicio han dominado el campo debido a su rentabilidad y a su integración con las tecnologías de fabricación de semiconductores existentes, a pesar de sus limitaciones con respecto a su ancho de banda de modulación electroóptica. Sin embargo, se comercializaron con éxito chips transceptores ópticos de silicio sobre aislante, impulsando el tráfico de información a través de millones de fibras de vidrio en los centros de datos modernos.

Recientemente, la plataforma de oblea de niobato de litio sobre aislante se ha convertido en un material superior para moduladores electroópticos fotónicos integrados debido a su fuerte coeficiente de Pockels, que es esencial para la modulación óptica de alta velocidad. Sin embargo, los altos costos y los complejos requisitos de producción han impedido que el niobato de litio se adopte más ampliamente, lo que limita su integración comercial.

Tantalato de litio (LiTaO₃), un pariente cercano del niobato de litio, promete superar estas barreras. Presenta excelentes cualidades electroópticas similares, pero tiene una ventaja sobre el niobato de litio en escalabilidad y costo, ya que las industrias de telecomunicaciones ya lo utilizan ampliamente en filtros de radiofrecuencia 5G.

Ahora, científicos dirigidos por el profesor Tobias J. Kippenberg de la EPFL y el profesor Xin Ou del Instituto de Microsistemas y Tecnología de la Información de Shanghai (SIMIT) han creado una nueva plataforma PIC basada en tantalato de litio. El PIC aprovecha las ventajas inherentes del material y puede transformar el campo al hacer que los PIC de alta calidad sean más viables económicamente. El gran avance se publica en Naturaleza.

Los investigadores desarrollaron un método de unión de obleas para tantalato de litio, que es compatible con las líneas de producción de silicio sobre aislante. Luego enmascararon la oblea de tantalato de litio de película delgada con carbono similar al diamante y procedieron a grabar guías de ondas ópticas, moduladores y microrresonadores de factor de calidad ultra alta.

El grabado se logró combinando fotolitografía ultravioleta profunda (DUV) y técnicas de grabado en seco, desarrolladas inicialmente para niobato de litio y luego adaptadas cuidadosamente para grabar el tantalato de litio, más duro e inerte. Esta adaptación implicó optimizar los parámetros de grabado para minimizar las pérdidas ópticas, un factor crucial para lograr un alto rendimiento en circuitos fotónicos.

Con este enfoque, el equipo pudo fabricar PIC de tantalato de litio de alta eficiencia con una tasa de pérdida óptica de solo 5,6 dB/m en la longitud de onda de telecomunicaciones. Otro punto a destacar es el modulador electroóptico Mach-Zehnder (MZM), un dispositivo ampliamente utilizado en las comunicaciones de fibra óptica de alta velocidad actuales. El tantalato de litio MZM ofrece un producto de longitud de voltaje de media onda de 1,9 V cm y un ancho de banda electroóptico que alcanza los 40 GHz.

«A la vez que mantenemos un rendimiento electroóptico altamente eficiente, también generamos un micropeine solitón en esta plataforma», dice Chengli Wang, primer autor del estudio. «Estos micropeines de solitones presentan una gran cantidad de frecuencias coherentes y, cuando se combinan con capacidades de modulación electroóptica, son particularmente adecuados para aplicaciones como LiDAR coherente paralelo y computación fotónica».

La birrefringencia reducida del PIC de tantalato de litio (la dependencia del índice de refracción de la polarización de la luz y la dirección de propagación) permite configuraciones de circuitos densos y garantiza amplias capacidades operativas en todas las bandas de telecomunicaciones. El trabajo allana el camino para la fabricación escalable y rentable de PIC electroópticos avanzados.