Chip fotonici di nitruro di silicio integrati con attuatori in nitruro di alluminio. Credito:Jijun He, Junqiu Liu (EPFL)
I materiali piezoelettrici possono convertire la tensione elettrica in spostamento meccanico e viceversa. Sono onnipresenti nelle moderne reti di comunicazione wireless come i telefoni cellulari. Oggi, dispositivi piezoelettrici, compresi i filtri, trasduttori e oscillatori, sono utilizzati in miliardi di dispositivi per le comunicazioni wireless, posizionamento globale, navigazioni, e applicazioni spaziali.
In un articolo pubblicato su Natura , una collaborazione guidata dal professor Tobias J. Kippenberg all'EPFL e dal professor Sunil A. Bhave alla Purdue University ha combinato la tecnologia piezoelettrica del nitruro di alluminio (AlN), utilizzata nei filtri a radiofrequenza dei cellulari moderni, con il nitruro di silicio a bassissima perdita (Si 3 n 4 ) fotonica integrata, dimostrando un nuovo schema per la modulazione acusto-ottica su chip.
Il circuito ibrido consente l'attuazione a banda larga su guide d'onda fotoniche con potenza elettrica ultrabassa, un'impresa che è stata finora impegnativa. Il circuito stesso è stato prodotto utilizzando processi di fonderia compatibili con CMOS, che sono ampiamente utilizzati per costruire microprocessori, microcontrollori, chip di memoria, e altri circuiti logici digitali.
Luce e suono
Per costruire il circuito, gli scienziati hanno usato Si 3 n 4 , che è emerso come un materiale leader per la scala dei chip, pettini di frequenza ottici basati su microrisonatori ("microcomb"). I microcomb sono utilizzati in una gamma di applicazioni che richiedono precisione, comprese comunicazioni coerenti, calibrazione dello spettrometro astronomico, gamma ultraveloce, sintesi a microonde a basso rumore, orologi atomici ottici, e più recentemente, LiDAR coerente parallelo.
I ricercatori hanno fabbricato attuatori piezoelettrici AlN sulla parte superiore del Si . a bassissima perdita 3 n 4 circuiti fotonici, e applicato un segnale di tensione su di essi. Il segnale ha indotto onde acustiche di massa elettromeccanicamente, che può modulare il microcomb generato nel Si 3 n 4 circuiti. In breve, il suono scuote la luce.
Una caratteristica chiave di questo schema è che mantiene la perdita ultrabassa di Si 3 n 4 circuiti. "Questo risultato rappresenta una nuova pietra miliare per la tecnologia dei microcomb, colmare la fotonica integrata, ingegneria dei sistemi microelettromeccanici e ottica non lineare, "dice Junqiu Liu, che guida la fabbricazione di Si 3 n 4 chip fotonici presso il Center of MicroNanoTechnology (CMi) dell'EPFL. "Sfruttando le interazioni piezoelettriche e acusto-ottiche di massa, consente la modulazione ottica su chip con una velocità senza precedenti e un consumo energetico estremamente basso."
Immagine al microscopio che mostra gli attuatori piezoelettrici che coprono i circuiti fotonici di nitruro di silicio. Credito:Junqiu Liu, Rui Ning Wang
Due nuove applicazioni
Utilizzando il nuovo sistema ibrido, i ricercatori hanno dimostrato due applicazioni indipendenti:in primo luogo, l'ottimizzazione di un LiDAR coerente massicciamente parallelo basato su microcomb, sulla base del loro lavoro precedente pubblicato anche in Natura recentemente. Questo approccio potrebbe fornire un percorso ai motori LiDAR basati su chip guidati da circuiti microelettronici CMOS.
Secondo, hanno costruito isolatori ottici privi di magneti mediante modulazione spazio-temporale di un Si 3 n 4 microrisonatore, che è stato pubblicato di recente in Comunicazioni sulla natura . "Lo stretto confinamento verticale delle onde acustiche sfuse previene la diafonia e consente il posizionamento ravvicinato degli attuatori, che è difficile da ottenere nei modulatori al silicio p-i-n, "dice Hao Tian, che ha fabbricato gli attuatori piezoelettrici presso la camera bianca Scifres nel Birck Nanotechnology Center di Purdue.
La nuova tecnologia potrebbe fornire impulso alle applicazioni dei microcomb nei sistemi critici per l'alimentazione, per esempio. nello spazio, datacenter e orologi atomici portatili, o in ambienti estremi come le temperature criogeniche. "Le domande ancora impreviste seguiranno in più comunità, " afferma il professor Kippenberg. "È stato dimostrato più e più volte che i sistemi ibridi possono ottenere vantaggi e funzionalità superiori a quelli ottenuti con i singoli componenti".
"Di recente ho letto un Scientifico americano articolo che mi ha davvero colpito, " aggiunge il professor Bhave. "Si chiama, "Perché la scienza è migliore quando è multinazionale". I nostri risultati non sarebbero possibili senza questa collaborazione multidisciplinare e intercontinentale".
