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Jul 02, 2023

4 de abril de 2023

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A fotônica integrada está avançando para hospedar uma gama crescente de funcionalidades em um chip. Os exemplos incluem processamento e computação de informações, bem como aplicações de sensoriamento óptico e alcance. Isso estimulou avanços em fontes de luz laser integradas, necessárias para que os chips fotônicos se tornem dispositivos verdadeiramente autônomos. Assim, o isolamento no chip também se torna importante para suprimir o feedback prejudicial à sua operação.

Dispositivos ópticos não recíprocos podem ser realizados usando três métodos: polarização magnética, não linearidade óptica e modulação espaço-temporal. A polarização magnética é inerentemente de banda larga, mas requer materiais magneto-ópticos com perdas. Dispositivos não lineares não recíprocos são alcançáveis ​​monoliticamente em certos materiais, mas sua operação é complicada pela dependência da potência de entrada. Por outro lado, os isoladores que aproveitam a modulação espaço-temporal não apresentam tais problemas de dimensionamento de energia e podem ser facilmente integrados monoliticamente, particularmente em plataformas com excelentes características eletro-ópticas, como o niobato de lítio no isolador (LNOI).

Nesta contribuição, a operação não recíproca é obtida usando a modulação espaço-temporal de dois deslocadores de fase de ondas viajantes em cascata. O sinal de micro-ondas aplicado aos moduladores e à linha de atraso garante que seu efeito na luz de propagação direta seja cancelado, de modo que sua assinatura espectral permaneça inalterada. No entanto, a potência óptica de propagação reversa é dispersa espectralmente para as bandas laterais, que são então suprimidas por um filtro ressonador de anel, permitindo um isolamento óptico de 27 dB.

O niobato de lítio, devido à sua ampla transparência espectral, alta capacidade de manipulação de energia e fortes propriedades não lineares e eletro-ópticas, por décadas permaneceu um material básico em óptica não linear e comunicações de fibra óptica. O surgimento relativamente recente de filme fino de niobato de lítio sobre isolador (LNOI), como um análogo direto do silício na fotônica do isolador, permitiu a criação de guias de ondas de niobato de lítio com confinamentos de modo rígidos, que também permitem escala de wafer densamente integrada fotônica.

Recentes realizações de destaque no LNOI incluem pentes de frequência eletro-óptica eficientes, bem como moduladores operando em níveis de tensão CMOS, no entanto, as perspectivas de longo prazo para a fotônica LNOI são extensas e incluem LiDAR totalmente integrado, redes neurais ópticas ou dispositivos de processamento de sinal de RF para citar um pouco. Os principais pré-requisitos para tais desenvolvimentos são técnicas emergentes de integração heterogênea de fontes de luz coerentes no chip, que devem ser isoladas do feedback do restante do circuito para garantir sua operação estável.

Para resolver esse problema, o grupo de pesquisa do distinto professor Arnan Mitchell, da universidade RMIT, realiza isoladores integrados na plataforma de guia de ondas LNOI. Os resultados foram publicados na revista Opto-Electronic Science.

Seu dispositivo, representado na micrografia da Figura 1 (a), foi fabricado usando uma abordagem de guia de ondas LNOI carregada, na qual o contraste do índice de refração para confinamento de luz é obtido não pela corrosão do niobato de lítio, mas pelo processamento de uma camada de nitreto de silício que é depositada no topo da bolacha LNOI. O projeto do isolador é baseado em uma abordagem de modulador em tandem no qual duas seções idênticas do modulador de fase de onda viajante são conectadas em série e separadas por uma linha de atraso de loop. Os moduladores são acionados na mesma frequência de sinal harmônico, mas com uma mudança de fase, de modo que, para a propagação direta da luz, os dois moduladores se neutralizam e a luz portadora de comprimento de onda de 1550 nm sai do dispositivo inalterada.