Il rapido sviluppo dei circuiti integrati fotonici (PIC), che combinano diversi dispositivi e funzioni ottiche in un unico chip, ha rivoluzionato le comunicazioni ottiche e i sistemi informatici.
Per decenni, gli IPC basati sul silicio sono stati all’avanguardia del settore grazie alla loro economicità e all’integrazione nelle tecnologie di produzione dei semiconduttori esistenti, nonostante i loro limiti in termini di larghezza di banda di modulazione elettro-ottica. Tuttavia, i chip ricetrasmettitori ottici in silicio su isolante sono stati commercializzati con successo e trasportano informazioni attraverso milioni di fibre di vetro nei moderni data center.
Recentemente, la piattaforma di wafer di niobato di litio su isolante è emersa come un materiale superiore per i modulatori elettro-ottici integrati fotonicamente, grazie al suo elevato coefficiente di Pockels, essenziale per la modulazione ottica ad alta velocità. Tuttavia, i costi elevati e i complessi requisiti di produzione hanno impedito una più ampia adozione del niobato di litio, limitandone la diffusione commerciale.
Il tantalato di litio (LiTaO3), un composto strettamente correlato al niobato di litio, ha il potenziale per superare questi ostacoli. Ha qualità elettro-ottiche simili, ma ha un vantaggio rispetto al niobato di litio in termini di scalabilità e costo, in quanto è già ampiamente utilizzato nei filtri a radiofrequenza 5G dalle industrie delle telecomunicazioni.
Gli scienziati guidati da Tobias J. Kippenberg dell’EPFL e Xin Ou dello Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT) hanno recentemente creato una piattaforma CIP a base di tantalato di litio. La piattaforma CIP sfrutta i vantaggi intrinseci del materiale e ha il potenziale per trasformare il settore rendendo economicamente più redditizia la CIP di alta qualità. Questo progresso è stato pubblicato sulla rivista Nature.
I ricercatori hanno sviluppato un metodo di incollaggio dei wafer di tantalato di litio compatibile con le linee di produzione di silicio su isolante. Hanno poi mascherato il wafer di tantalato di litio a film sottile con carbonio simile al diamante e hanno proceduto all’incisione di guide d’onda ottiche, modulatori e microresonatori con un fattore di qualità elevatissimo.
L’incisione è stata ottenuta combinando la fotolitografia UV profonda e le tecniche di incisione a secco, inizialmente sviluppate per il niobato di litio e poi accuratamente adattate per incidere il tantalato di litio, più duro e inerte. Questo adattamento ha comportato l’ottimizzazione dei parametri di incisione per ridurre le perdite ottiche, un fattore importante per ottenere elevate prestazioni nei circuiti fotonici.
Grazie a questo approccio, il team è riuscito a produrre CIP a base di tantalato di litio altamente efficienti, con un tasso di perdita ottica di soli 5,6 dB/m alla lunghezza d’onda delle telecomunicazioni. Un altro punto di forza è il modulatore elettro-ottico Mach-Zehnder (MZM). Questo dispositivo è ampiamente utilizzato nelle attuali comunicazioni in fibra ottica ad alta velocità. L’MZM al tantalato di litio offre un prodotto tensione-lunghezza a mezz’onda di 1,9 V cm e una larghezza di banda elettro-ottica di 40 GHz.
"Pur mantenendo prestazioni elettro-ottiche altamente efficienti, abbiamo anche generato microcombs di solitoni su questa piattaforma", spiega Chengli Wang, autore principale dello studio. "Queste microcombe di solitoni presentano un gran numero di frequenze coerenti. Se combinate con le capacità di modulazione elettro-ottica, sono particolarmente adatte per applicazioni come LiDAR coerente parallelo e calcolo fotonico".
La ridotta birifrangenza dei CIP a base di tantalato di litio (dipendenza dell’indice di rifrazione dalla polarizzazione della luce e dalla direzione di propagazione) consente configurazioni di circuiti densi e garantisce ampie capacità operative in tutte le bande di telecomunicazione. Questo lavoro apre la strada alla produzione scalabile ed economica di CIP elettro-ottici avanzati.
Altri collaboratori
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, Tobias J. Kippenberg. Circuiti integrati fotonici in tantalato di litio per la produzione in serie. Nature, 8 maggio 2024. DOI: 10.1038/s41586’024 -07369-1
