Новый фотонный чип: решение для точной работы с радиочастотными сигналами

Ученые из Сиднейского университета совершили значительный прорыв в области фотонных чипов, объединив фотонный фильтр и модулятор на одном кремниевом чипе. Это открытие позволяет точно обнаруживать сигналы в широкой полосе радиочастотного (РЧ) спектра и приближает фотонные чипы к замене более громоздких и сложных электронных РЧ-чипов в оптоволоконных сетях.

Ключевым элементом исследования является использование явления стимулированного бриллюэновского рассеяния (рассеяние Бриллюэна-Мандельштама), при котором электрические поля преобразуются в акустические волны в определенных изоляторах, например, в оптических волокнах. Еще в 2011 году ученые обнаружили, что это явление имеет потенциал для высокоточной фильтрации, и разработали новые технологии для сочетания волновода бриллюэновского рассеяния из халькогенидов на кремниевом чипе. В 2023 году им удалось объединить на одном чипе фотонный фильтр и модулятор, достигнув спектрального разрешения 37 мегагерц и более широкой полосы пропускания, чем у предыдущих чипов.

Дэвид Марпаунг, исследователь в области нанофотоники из Университета Твенте в Нидерландах, отметил, что интеграция модулятора с активным волноводом является ключевым прорывом. Марпаунг, который ранее работал с сиднейской группой и теперь возглавляет свою исследовательскую группу, считает, что достижение спектрального разрешения менее 10 МГц на полосе 100 гигагерц позволит заменить более громоздкие электронные РЧ-чипы. Он также подчеркнул, что такие чипы могут преобразовывать РЧ-сигналы в оптические для прямой передачи через оптоволоконные сети, что представляет большой интерес для телекоммуникационных компаний и производителей оборонного оборудования.

Однако существуют определенные трудности. Хотя халькогениды обладают сильным бриллюэновским эффектом, остается вопрос их масштабируемости и пригодности вне лабораторных условий. Сиднейской группе удалось интегрировать халькогенидные волноводы в 5-миллиметровую кремниевую микросхему, но этот процесс был непростым.

В то же время другие исследовательские группы изучают различные материалы, такие как ниобат лития, который может обеспечить сравнимую высокоточную фильтрацию. Например, Питер Ракич из Йельского университета показал, что комбинация волновода и чипа только из кремния может достигнуть фильтрации 2,7 МГц на спектральной полосе 6 ГГц.

В целом, мечта об интегрированном фотонном чипе имеет множество составляющих. Успех в этой области зависит от решения проблем интеграции, производительности и практичности. Прогресс в смежных технологиях может способствовать успеху других групп, работающих над интегрированными фотонными чипами.