Circuitos integrados fotônicos de tantalato de lítio

Circuitos integrados fotônicos de tantalato de lítio. Crédito: Tobias Kippenberg (EPFL)

A nova tecnologia de circuito integrado fotônico baseada em tantalato de lítio melhora a eficiência de custos e a escalabilidade, fazendo avanços significativos em comunicações ópticas e computação.

As comunicações ópticas e os sistemas de computação foram revolucionados pelo rápido avanço nos circuitos integrados fotônicos (PICs), que combinam vários dispositivos ópticos e funcionalidades em um único chip.

Durante décadas, os PICs baseados em silício dominaram o campo devido à sua relação custo-benefício e à sua integração com as tecnologias existentes de fabricação de semicondutores, apesar das suas limitações no que diz respeito à sua largura de banda de modulação eletro-óptica. No entanto, chips transceptores ópticos de silício sobre isolador foram comercializados com sucesso, direcionando o tráfego de informações através de milhões de fibras de vidro em data centers modernos.

Plataformas emergentes de niobato de lítio

Recentemente, a plataforma wafer de niobato de lítio sobre isolador emergiu como um material superior para moduladores eletro-ópticos integrados fotônicos devido ao seu forte coeficiente de Pockels, que é essencial para modulação óptica de alta velocidade. No entanto, os custos elevados e os complexos requisitos de produção impediram que o niobato de lítio fosse adotado de forma mais ampla, limitando a sua integração comercial.

Tantalato de lítio (LiTaO3), parente próximo do niobato de lítio, promete superar essas barreiras. Possui excelentes qualidades eletro-ópticas semelhantes, mas tem uma vantagem sobre o niobato de lítio em escalabilidade e custo, pois já está sendo amplamente utilizado em filtros de radiofrequência 5G pelas indústrias de telecomunicações.

Agora, cientistas liderados pelo professor Tobias J. Kippenberg da EPFL e pelo professor Xin Ou do Instituto de Microssistemas e Tecnologia da Informação de Xangai (SIMIT) criaram uma nova plataforma PIC baseada em tantalato de lítio. O PIC aproveita as vantagens inerentes do material e pode transformar o campo, tornando os PICs de alta qualidade mais viáveis ​​economicamente. A descoberta foi publicada em 8 de maio em Natureza.

Inovações Tecnológicas na Fabricação

Os pesquisadores desenvolveram um método de ligação de wafer para tantalato de lítio, que é compatível com linhas de produção de silício sobre isolador. Eles então mascararam o wafer de tantalato de lítio de filme fino com carbono semelhante ao diamante e começaram a gravar guias de onda ópticos, moduladores e microrressonadores de fator de qualidade ultra-alta.

A gravação foi conseguida combinando fotolitografia ultravioleta profunda (DUV) e técnicas de gravação a seco, desenvolvidas inicialmente para niobato de lítio e depois cuidadosamente adaptadas para gravar o tantalato de lítio mais duro e inerte. Esta adaptação envolveu a otimização dos parâmetros de gravação para minimizar as perdas ópticas, fator crucial para alcançar alto desempenho em circuitos fotônicos.

Conquistas e Perspectivas Futuras

Com esta abordagem, a equipe foi capaz de fabricar PICs de tantalato de lítio de alta eficiência com uma taxa de perda óptica de apenas 5,6 dB/m no comprimento de onda de telecomunicações. Outro destaque é o modulador eletro-óptico Mach-Zehnder (MZM), dispositivo amplamente utilizado na comunicação atual por fibra óptica de alta velocidade. O tantalato de lítio MZM oferece um produto de comprimento de tensão de meia onda de 1,9 V cm- e uma largura de banda eletro-óptica que chega a 40 GHz.

“Ao mesmo tempo em que mantivemos um desempenho eletro-óptico altamente eficiente, também geramos microcomb soliton nesta plataforma”, diz Chengli Wang, o primeiro autor do estudo. “Essas microcombs soliton apresentam um grande número de frequências coerentes e, quando combinadas com capacidades de modulação eletro-óptica, são particularmente adequadas para aplicações como LiDAR coerente paralelo e computação fotônica.”

A birrefringência reduzida do PIC de tantalato de lítio (a dependência do índice de refração na polarização da luz e na direção de propagação) permite configurações de circuito densas e garante amplas capacidades operacionais em todas as bandas de telecomunicações. O trabalho abre caminho para a fabricação escalonável e econômica de PICs eletro-ópticos avançados.

Referência: “Circuitos integrados fotônicos de tantalato de lítio para fabricação em volume” por Chengli Wang, Zihan Li, Johann Riemensberger, Grigory Lihachev, Mikhail Churaev, Wil Kao, Xinru Ji, Junyin Zhang, Terence Blesin, Alisa Davydova, Yang Chen, Kai Huang, Xi Wang, Xin Ou e Tobias J. Kippenberg, 8 de maio de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07369-1



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