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Sistemas fotônicos de silício acionados por microcombôs

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Integrated photonics is profoundly impacting data communication and signal processing8,9,10. A crucial development in the past decade is the demonstration of Kerr microcombs, which provide mutually coherent and equidistant optical frequency lines generated by microresonators1,11,12. With a wide range of microcomb-based optoelectronic systems2,4,13,14,15,16,17,18 demonstrated recently, these integrated light sources hold the promise to extend the application space of integrated photonics to a much broader scope. However, despite the tremendous progress made in microcomb integration19,20,21,22,23, in almost all system-level demonstrations leveraging microcomb technologies, the passive comb generators are still the only integrated component.O restante do sistema, incluindo os lasers de bombeamento de pente, componentes ópticos passivos e ativos e os eletrônicos de suporte, geralmente dependem de equipamentos volumosos, caros e consumidores de energia, minando assim os benefícios prometidos da fotônica integrada.

Microcomb-driven silicon photonic systems

In contrast, the advances in silicon photonics (SiPh) technology have provided a scalable and low-cost solution to miniaturize optical systems6,24,25, benefiting from complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS)-compatible manufacturing. These ‘photonic engines’, have been commercialized in data interconnects26,27, and widely applied in other fields28,29,30,31.No entanto, um ingrediente-chave que falta nos circuitos integrados (SOI) baseados em fundição (SOI) (PICs) é a fonte de comprimento de onda múltipla. For example, the current state-of-the-art photonic transceiver module contains an eight-channel distributed feedback laser (DFB) array for wavelength division multiplexing (WDM)32.Aumentar a contagem de canais em tal sistema requer um esforço de design considerável, como estabilização de espaçamento de linha a linha e aumento da carga de trabalho de montagem.Além disso, a falta de coerência mútua entre as linhas de canal restringe muitas aplicações, como a Metrologia precisa do tempo -frequência.

Embora a interface dessas duas tecnologias seja essencial para resolver os problemas mencionados de ambos os lados, até agora, essa combinação permaneceu ilusória. Previously, although the combinations of a microcomb and other photonic components have shown potential in optical computation15, atomic clocks4 and synthesizer systems3, these integrated demonstrations usually rely on specialized fabrication processes unsuitable for high-volume production. Moreover, comb start-up33,34 and stabilization techniques35,36, which require high-performance discrete optics and electronic components, markedly increase the operation complexity and system size. Recent progress in hybrid or heterogeneous laser-microcomb integration enables on-chip comb generation in a simplified manner21,22,23, but these schemes add complexity in processing.Essas dificuldades, juntamente com as despesas extras em partida multicanal e outros pré-tratamentos nas operações do sistema, até agora obstruíram a implementação de um sistema funcional de laser-micro-senhas.

Aqui, damos um passo fundamental na combinação dessas duas tecnologias essenciais.Usando um microrresonador de alumínio de arseneto de arseneto de gálio (algaAs)-insulador (algaasoi) que pode ser diretamente bombeado por um laser no chip DFB, é gerado um microcomb de pulso escuro, que exibe eficiência de última geração, operação simplese estabilidade de longa data.Esse pente coerente é usado para conduzir os motores SIPH baseados em CMOS-Foundry, contendo funcionalidade versátil, que pode ser usada para uma ampla gama de aplicações (Fig.1).Com base nessa abordagem, demonstrações no nível do sistema são apresentadas para dois principais campos de fotônicos integrados.(1) Como demonstração de comunicações, apresentamos um link de dados baseado em transceptor de microcomb-sifh com transmissão de modulação de quatro níveis de amplitude de pulso de 100 Gbps (PAM4) e taxa de agregado de 2-Tbps para data centers.(2) Para a fotônica de microondas, um filtro de microondas compacto é demonstrado com a velocidade de reconfiguração de dezenas de microssegundos por um esquema de processamento de atraso de atraso de multitap no chip, cuja largura de banda ajustável e frequência central flexível são capazes de apoiar a quinta geração (5G), Processamento de sinal de radar e no chip.Este trabalho abre caminho para a integração total de uma ampla gama de sistemas ópticos e acelerará significativamente a proliferação de microcombos e tecnologias SIPH para a próxima geração de fotônicas integradas.