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Micropeigne

Jun 05, 2023Jun 05, 2023

Nature volume 605, pages 457-463 (2022)Citer cet article

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Les micropeignes ont suscité une vague d'applications au cours de la dernière décennie, allant des communications optiques à la métrologie1,2,3,4. Malgré leur déploiement diversifié, la plupart des systèmes basés sur des micropeignes s'appuient sur une grande quantité d'éléments et d'équipements encombrants pour remplir les fonctions souhaitées, ce qui est compliqué, coûteux et consommateur d'énergie. En revanche, la photonique sur silicium (SiPh) basée sur la fonderie a connu un succès remarquable en fournissant des fonctionnalités polyvalentes de manière évolutive et à faible coût5,6,7, mais ses sources lumineuses disponibles sur puce n'ont pas la capacité de parallélisation, ce qui limite la portée. des applications SiPh. Ici, nous combinons ces deux technologies en utilisant une source de micropeignes d'aluminium-arséniure-de-gallium-sur-isolant, économe en énergie et simple d'un point de vue opérationnel, pour piloter des moteurs SiPh complémentaires métal-oxyde-semi-conducteur. Nous présentons deux systèmes photoniques importants à l’échelle d’une puce pour la transmission optique de données et la photonique micro-ondes, respectivement. Une liaison de données photonique intégrée basée sur un micropeigne est démontrée, basée sur un schéma de modulation à quatre niveaux d'amplitude d'impulsion avec un taux global de deux térabits par seconde, et un filtre photonique micro-onde hautement reconfigurable avec un niveau élevé d'intégration est construit en utilisant une approche temporelle. Une telle synergie entre un micropeigne et des composants intégrés SiPh constitue une étape essentielle vers la prochaine génération de systèmes photoniques entièrement intégrés.

La photonique intégrée a un impact profond sur la communication des données et le traitement du signal8,9,10. Un développement crucial au cours de la dernière décennie a été la démonstration des micropeignes de Kerr, qui fournissent des lignes de fréquence optiques mutuellement cohérentes et équidistantes générées par des microrésonateurs1,11,12. Avec une large gamme de systèmes optoélectroniques à base de micropeignes2,4,13,14,15,16,17,18 récemment démontrés, ces sources de lumière intégrées promettent d'étendre l'espace d'application de la photonique intégrée à une portée beaucoup plus large. Cependant, malgré les énormes progrès réalisés dans l’intégration des micropeignes19,20,21,22,23, dans presque toutes les démonstrations au niveau système tirant parti des technologies des micropeignes, les générateurs passifs en peigne restent le seul composant intégré. Le reste du système, y compris les lasers de pompage en peigne, les composants optiques passifs et actifs et l’électronique de support, repose généralement sur des équipements encombrants, coûteux et consommateurs d’énergie, compromettant ainsi les avantages promis de la photonique intégrée.

En revanche, les progrès de la technologie photonique sur silicium (SiPh) ont fourni une solution évolutive et peu coûteuse pour miniaturiser les systèmes optiques6,24,25, bénéficiant d’une fabrication complémentaire compatible métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS). Ces « moteurs photoniques » ont été commercialisés dans les interconnexions de données26,27 et largement appliqués dans d'autres domaines28,29,30,31. Pourtant, un ingrédient clé manquant dans les circuits intégrés photoniques (PIC) silicium sur isolant (SOI) basés sur la fonderie est la source de longueurs d'onde multiples. Par exemple, le module émetteur-récepteur photonique de pointe actuel contient un réseau de lasers à rétroaction distribuée (DFB) à huit canaux pour le multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM)32. L'augmentation du nombre de canaux dans un tel système nécessite des efforts de conception considérables, tels que la stabilisation de l'espacement ligne à ligne et une charge de travail d'assemblage accrue. De plus, le manque de cohérence mutuelle entre les lignes de canaux restreint de nombreuses applications, telles que la métrologie temps-fréquence précise.

Bien que l’interfaçage de ces deux technologies soit essentiel pour résoudre les problèmes susmentionnés des deux côtés, une telle combinaison est restée jusqu’à présent insaisissable. Auparavant, bien que les combinaisons d'un micropeigne et d'autres composants photoniques aient montré leur potentiel dans le calcul optique15, les horloges atomiques4 et les systèmes de synthèse3, ces démonstrations intégrées reposent généralement sur des processus de fabrication spécialisés inadaptés à une production en grand volume. De plus, les techniques de démarrage en peigne33,34 et de stabilisation35,36, qui nécessitent des composants optiques et électroniques discrets de haute performance, augmentent considérablement la complexité opérationnelle et la taille du système. Les progrès récents dans l’intégration laser-micropeigne hybride ou hétérogène permettent la génération de peignes sur puce de manière simplifiée21,22,23, mais ces schémas ajoutent de la complexité au traitement. Ces difficultés, ainsi que les dépenses supplémentaires liées à la mise en correspondance multicanal et à d'autres prétraitements dans le fonctionnement du système, ont jusqu'à présent entravé la mise en œuvre d'un système laser-micropeigne fonctionnel.

33-GHz electro-optical bandwidth are used (Fig. 2f). Heaters are used to match up the modulators with the comb channels by thermal tuning (Fig. 2g). A representative result for such phase compensation in a modulator at different channel wavelengths is shown in Fig. 2g (left). To implement on-chip true-time delays, spiral waveguides with adiabatic bends are designed, as shown in Fig. 2h. The deviation of 60-ps delay lines is within 3 ps. Figure 2i shows the germanium (Ge) photodetector (PD) with about 0.5–0.8 A W−1 at different on-chip power levels, and with a saturation power of approximately 20 mW. A microring filter array is used here to control the comb lines individually, as shown in Fig. 2j. A 180-GHz-wide (2 free spectral range (FSR)) channel-selecting range can be obtained with 20-mW heater power (Methods). In addition, the SiPh devices support system-level assembly with electronic integrated chips (Fig. 2k), allowing future integration of low-noise trans-impedance amplifiers and high-speed drivers./p>20-dB main-to-sidelobe suppression ratio) is achieved using the dispersive delay scheme, with a subgigahertz-level filtering BW tunability. The results in Fig. 4e, f show the reconfigurability of RF FSR by modifying the comb line spacing: comb line spacings of 5.6 nm, 2.8 nm and 1.4 nm result in RF filtering response FSRs of 1.8 GHz, 3.6 GHz and 7.2 GHz, respectively. In contrast with other state-of-the-art microcomb-based MPFs using either bulk OSS46,47 or changing soliton states13, this work significantly advances the degree of integration and the reconfiguration speed (about 53 μs; Methods), which are crucial for modern wireless communications and avionic applications./p>10 Tbps by broadening the operation wavelength to the L band and the S band. The performance of the DFB-pumped integrated comb source is mainly limited by the relatively high noise floor of the free-running DFB laser (Methods), which lowers the optical signal-to-noise ratio (OSNR). For the RF filter, a narrower filtering BW (down to subgigahertz) and a higher tuning resolution can be obtained by increasing the number of tap channels used in the finite impulse response configurations43, that is, expansion of the MRA./p>2 million can be obtained in the AlGaAsOI resonator, corresponding to a waveguide loss of <0.3 dB cm−1. The fraction of aluminium is 0.2, which corresponds to a two-photon absorption wavelength of around 1,480 nm. The epitaxial wafer growth was accomplished using molecular-beam epitaxy. A 248-nm deep-ultraviolet stepper was used for the lithography. A photoresist reflow process and an optimized dry etch process were applied in waveguide patterning to minimize waveguide scattering loss. More fabrication details can be found in refs. 52,53. The SiPh PIC, including its Si modulators and Si–Ge PDs, was fabricated on a 200-mm SOI wafer with a Si-layer thickness of 220 nm and a buried oxide layer thickness of 2 μm using CMOS-compatible processes at CompoundTek Pte in a one-to-one 200-mm-wafer run with its standard 90-nm lithography SOI process. The waveguide loss in this SiPh platform is approximately 1.2 dB cm−1 in the C band. In our experiment, lensed fibres with different mode field diameters were selected for the AlGaAsOI and SOI chips; the coupling loss is about 3–5 dB per facet for AlGaAsOI waveguides and about 2–3 dB per facet for Si waveguides./p>30 GHz. The on-chip phase compensation units are MZI-based titanium nitride (TiN) microheaters. The resistance is approximately 200 Ω. The TiN metal layer is about 1 μm above the Si layer, ensuring a heating efficiency of about 20 mW π−1. Meanwhile, a deep trench process is utilized to isolate each microheater to diminish thermal cross-talk. For the on-chip true-time delay line, we adopted a 2-μm-wide multimode Si waveguide for low-loss transmission. Euler curves were used in the spiral waveguide for adiabatic bending. For a 60-ps Si delay line, the total loss is <0.5 dB, with a delay-time variation of <3% among 8 tested devices. For the vertical epitaxial Ge PD, the responsivity declines with the increasing on-chip power. A saturated point of about 20 mW could be reached when the power is further increased. Microring filters employed for WDM could be tuned by microheaters, with which a 180-GHz channel spacing can be obtained under 20-mW power dissipation. The CMOS drivers for signal amplification before injection into the Si MZM (not used in the high-bit-rate (>50 Gbps) signal transmission experiment) show a 3-dB gain BW of about 24 GHz./p>

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