Nella nostra società dell'informazione, la sintesi, distribuzione, e l'elaborazione di segnali radio e microonde sono onnipresenti nelle reti wireless, telecomunicazioni, e radar. La tendenza attuale è quella di utilizzare portanti nelle bande di frequenza più alte, soprattutto con i colli di bottiglia incombenti della larghezza di banda dovuti alle richieste di, Per esempio, 5G e "Internet delle cose". 'Fotonica a microonde, ' una combinazione di ingegneria a microonde e optoelettronica, potrebbe offrire una soluzione.

Un elemento chiave della fotonica a microonde sono i pettini di frequenza ottici, che forniscono centinaia di linee laser equidistanti e reciprocamente coerenti. Sono impulsi ottici ultracorti emessi con un tasso di ripetizione stabile che corrisponde esattamente alla spaziatura di frequenza delle linee del pettine. Il fotorilevamento degli impulsi produce un vettore di microonde.

Negli ultimi anni ci sono stati progressi significativi sui pettini di frequenza su scala chip generati da microrisonatori non lineari guidati da laser a onda continua. Questi pettini di frequenza si basano sulla formazione di solitoni di Kerr dissipativi, che sono impulsi di luce coerente ultracorti che circolano all'interno di microrisonatori ottici. A causa di ciò, questi pettini di frequenza sono comunemente chiamati "micropettini solitoni".

La generazione di microcomb solitoni richiede microrisonatori non lineari, e questi possono essere costruiti direttamente su chip utilizzando la tecnologia di nanofabbricazione CMOS. La co-integrazione con circuiti elettronici e laser integrati apre la strada alla miniaturizzazione, consentendo una serie di applicazioni in metrologia, spettroscopia e comunicazioni.

Pubblicazione in Fotonica della natura , un team di ricerca dell'EPFL guidato da Tobias J. Kippenberg ha ora dimostrato microcomb di solitoni integrati con frequenze di ripetizione fino a 10 GHz. Ciò è stato ottenuto riducendo significativamente le perdite ottiche delle guide d'onda fotoniche integrate a base di nitruro di silicio, un materiale già utilizzato nei circuiti microelettronici CMOS, e che è stato anche utilizzato nell'ultimo decennio per costruire circuiti integrati fotonici che guidano la luce laser su chip.

Gli scienziati sono stati in grado di produrre guide d'onda in nitruro di silicio con la perdita più bassa in qualsiasi circuito integrato fotonico. Utilizzando questa tecnologia, gli impulsi di solitoni coerenti generati hanno velocità di ripetizione sia nella microonde K- (~20 GHz, utilizzato in 5G) e banda X (~10 GHz, utilizzato nei radar).

I segnali a microonde risultanti presentano proprietà di rumore di fase pari o addirittura inferiori ai sintetizzatori a microonde elettronici commerciali. La dimostrazione di microcomb solitoni integrati a velocità di ripetizione delle microonde colma i campi della fotonica integrata, ottica non lineare e fotonica a microonde.

Il team dell'EPFL ha raggiunto un livello di perdite ottiche sufficientemente basso da consentire alla luce di propagarsi di quasi 1 metro in una guida d'onda di solo 1 micrometro di diametro, o circa 100 volte più piccolo di un capello umano. Questo livello di perdita è ancora più di tre ordini di grandezza superiore al valore in fibre ottiche, ma rappresenta la perdita più bassa in qualsiasi guida d'onda strettamente confinata per la fotonica non lineare integrata fino ad oggi.

Una perdita così bassa è il risultato di un nuovo processo di produzione sviluppato dagli scienziati dell'EPFL:il "processo di damasceno fotonico al nitruro di silicio". "Questo processo, quando eseguita utilizzando la litografia stepper ultravioletta profonda, offre prestazioni davvero spettacolari in termini di basse perdite, che non è ottenibile utilizzando le tecniche di nanofabbricazione convenzionali, "dice Junqiu Liu, il primo autore dell'articolo che guida anche la fabbricazione di chip nanofotonici di nitruro di silicio presso il Centro di MicroNanotecnologia (CMi) dell'EPFL. "Questi micropettini, e i loro segnali a microonde, potrebbero essere elementi critici per la costruzione di oscillatori a microonde a basso rumore completamente integrati per future architetture di radar e reti di informazione".

Il team dell'EPFL sta già lavorando con collaboratori negli Stati Uniti per sviluppare moduli microcomb solitoni ibridi integrati che combinano laser a semiconduttore su scala di chip. Questi microcomb estremamente compatti possono avere un impatto su molte applicazioni, ad es. ricetrasmettitori nei datacenter, LiDAR, orologi atomici ottici compatti, tomografia a coerenza ottica, fotonica a microonde, e spettroscopia.