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imagen: (a) Imagen de microscopio óptico del aislador fabricado; (b) Sección transversal de la guía de ondas LNOI cargada con SiN; (c) la alineación del electrodo de onda viajera con la guía de ondas; y (d) imagen SEM de la guía de ondas LNOI cargada con SiN fabricada.ver más

Crédito: OES

Una nueva publicación de Opto-Electronic Science; DOI 10.29026/oes.2023.220022 considera aislador espacio-temporal en niobato de litio sobre aislador.

La fotónica integrada está avanzando hacia el alojamiento de una gama cada vez mayor de funcionalidades en un chip. Entre los ejemplos se incluyen el procesamiento y la computación de la información, así como las aplicaciones de telemetría y detección óptica. Esto ha estimulado los avances en las fuentes de luz láser integradas, necesarias para que los chips fotónicos se conviertan en dispositivos verdaderamente autónomos. Por lo tanto, el aislamiento en el chip también se vuelve importante para suprimir la retroalimentación perjudicial para su funcionamiento.

Los dispositivos ópticos no recíprocos se pueden realizar utilizando tres métodos: polarización magnética, no linealidad óptica y modulación espaciotemporal. La polarización magnética es inherentemente de banda ancha, pero requiere materiales magnetoópticos con pérdidas. Los dispositivos no recíprocos no lineales se pueden lograr de forma monolítica en ciertos materiales, pero su funcionamiento se complica por la dependencia de la potencia de entrada. Por el contrario, los aisladores que aprovechan la modulación espaciotemporal no tienen tales problemas de escalado de potencia y pueden integrarse fácilmente de forma monolítica, particularmente en plataformas con excelentes características electroópticas, como el niobato de litio en aislador (LNOI).

En esta contribución, la operación no recíproca se logra mediante el uso de la modulación espaciotemporal de dos desfasadores de onda viajera en cascada. La señal de microondas aplicada a los moduladores y la línea de retardo asegura que su efecto sobre la luz que se propaga hacia adelante se cancela para que su firma espectral permanezca sin cambios. Sin embargo, la potencia óptica de propagación inversa se dispersa espectralmente hacia las bandas laterales, que luego son suprimidas por un filtro de resonador en anillo, lo que permite un aislamiento óptico de 27 dB.

El niobato de litio, debido a su amplia transparencia espectral, capacidades de manejo de alta potencia y fuertes propiedades no lineales y electroópticas, durante décadas siguió siendo un material básico en la óptica no lineal y las comunicaciones de fibra óptica. La aparición relativamente reciente de niobato de litio sobre aislante (LNOI) de película delgada, como un análogo directo de la fotónica de silicio sobre aislante, ha permitido la creación de guías de ondas de niobato de litio con confinamientos de modo estricto, que también permiten una escala de obleas densamente integrada. fotónica. Los logros destacados recientes en LNOI incluyen peines de frecuencia electro-ópticos eficientes, así como moduladores que funcionan a niveles de voltaje CMOS; sin embargo, las perspectivas a largo plazo para la fotónica LNOI son amplias e incluyen LiDAR completamente integrado, redes neuronales ópticas o dispositivos de procesamiento de señales de RF, por nombrar algunos. Los requisitos previos clave para tales desarrollos son las técnicas emergentes de integración heterogénea de fuentes de luz coherentes en el chip, que para su funcionamiento estable deben estar aisladas de la retroalimentación del resto del circuito. Para abordar este problema, el grupo de investigación del distinguido profesor Arnan Mitchell de la universidad RMIT realizó aisladores integrados en la plataforma de guía de ondas LNOI.

Su dispositivo, representado en la micrografía de la Figura 1 (a), se fabricó utilizando un enfoque de guía de ondas LNOI cargado, en el que el contraste del índice de refracción para el confinamiento de la luz no se logra mediante el grabado del niobato de litio, sino mediante el procesamiento de una capa de nitruro de silicio que se deposita encima de la oblea LNOI. El diseño del aislador se basa en un enfoque de modulador en tándem en el que dos secciones de modulador de fase de onda viajera idénticas están conectadas en serie y separadas por una línea de retardo en bucle. Los moduladores funcionan con la misma frecuencia de señal armónica pero con un cambio de fase, de modo que para la luz de propagación directa los dos moduladores se contrarrestan entre sí y la luz portadora de longitud de onda de 1550 nm sale del dispositivo sin cambios. Por otro lado, para la propagación inversa, este equilibrio establecido por la línea de retardo y el desplazamiento de fase de la señal de modulación no es válido, por lo que la acción de ambos moduladores en forma acumulativa y espectral dispersa la energía portadora en múltiples bandas laterales. La entrada del dispositivo se filtra a través de un resonador de pista que se adapta a la frecuencia de la portadora pero está diseñado para rechazar cualquier banda lateral espectral inducida por modulación.

La prueba del dispositivo mediante la inyección del portador óptico hacia atrás y hacia adelante reveló el funcionamiento no recíproco del dispositivo. La curva azul en la Figura 2 (a) muestra el espectro de transmisión del resonador de pista, que permite el paso de portadores ópticos con la misma frecuencia resonante. La curva roja muestra el caso en que la luz trasera se moduló pero sin ser filtrada por el resonador de pista. Se suprimió la frecuencia original de las portadoras hacia atrás y se transfirió su potencia a las bandas laterales. La Figura 2 (b) muestra que la luz trasera fue modulada y filtrada por un resonador de pista, lo que significa que la luz se dispersó espectralmente fuertemente y se redirige sin poder pasar el filtro de anillo. La figura 2 (c) muestra que en la propagación hacia adelante, la mayor parte de la potencia óptica permanece confinada en la portadora y solo se transfiere una potencia mínima a las bandas laterales. La fuerza del aislamiento se cuantificó midiendo la relación de transmisión de potencia entre la operación directa e inversa, lo que resultó en un aislamiento de 27 dB. Este resultado se encuentra entre los índices de aislamiento basados ​​en modulación espaciotemporal más altos logrados en cualquier plataforma hasta la fecha. La supresión demostrada de la luz de propagación inversa hace que estos aisladores sean adecuados para la integración con diodos láser III-V y secciones de ganancia dopadas con erbio en el niobato de litio de película delgada en la plataforma de guía de onda del aislador.

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El Centro Integrado de Fotónica y Aplicaciones (InPAC) se estableció en 2020 en la Universidad RMIT en Australia y, bajo el liderazgo del distinguido profesor Arnan Mitchell, alberga a 9 investigadores y 20 estudiantes de doctorado. Su objetivo es crear tecnologías fotónicas integradas impactantes que cubran una variedad de plataformas, incluido el silicio, el nitruro de silicio y el niobato de litio. El centro reúne a equipos que se esfuerzan por desarrollar y refinar la simulación y el diseño, la fabricación y las capacidades de interfaz de chips fotónicos, así como equipos orientados a aplicaciones que trabajan en comunicación de datos, detección biomédica, así como detección de precisión y defensa.

Un enfoque clave para el centro es desarrollar experiencia y capacidades internas para realizar todo el flujo de trabajo integrado de creación de dispositivos fotónicos. Usando las herramientas de fabricación de última generación disponibles en la sala limpia de 2500 metros cuadrados del Centro de Investigación Micro Nano de RMIT, los equipos de desarrollo de plataformas de dispositivos trabajan continuamente para diseñar bloques de construcción modulares para chips fotónicos personalizados para abordar las necesidades identificadas por equipos orientados a aplicaciones, colaborando investigadores y socios de la industria. Por el contrario, los equipos de comunicación de datos, detección biomédica y detección de precisión y defensa sirven como puente entre la investigación de circuitos integrados fotónicos aplicados y su traducción a aplicaciones del mundo real. A través de este enfoque, InPAC busca hacer que las tecnologías fotónicas integradas estén más disponibles para una comunidad mundial más amplia, incluidos investigadores y pequeñas industrias especializadas.

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Opto-Electronic Science (OES) es una revista internacional, interdisciplinaria, de acceso abierto y revisada por pares, publicada por el Instituto de Óptica y Electrónica de la Academia de Ciencias de China como revista hermana de Opto-Electronic Advances (OEA, IF=9.682). OES se dedica a proporcionar una plataforma profesional para promover el intercambio académico y acelerar la innovación. OES publica artículos, revisiones y cartas de los avances fundamentales en la ciencia básica de la óptica y la optoelectrónica.

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Huang HJ, Balčytis A, Dubey A, Boes A, Nguyen TG et al. Aislador espacio-temporal en niobato de litio sobre aislador. Ciencia opto-electrónica2 , 220022 (2023). dos: 10.29026/oes.2023.220022

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10.29026/oes.2023.220022

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