I vårt informationssamhälle, syntesen, distribution, och behandling av radio- och mikrovågssignaler är överallt i trådlösa nätverk, telekommunikation, och radar. Den nuvarande tendensen är att använda bärvågor i högre frekvensband, speciellt med hotande bandbreddsflaskhalsar på grund av krav på, till exempel, 5G och "sakernas internet". 'Mikrovågsfotonik, en kombination av mikrovågsteknik och optoelektronik, kan erbjuda en lösning.

En viktig byggsten för mikrovågsfoton är optiska frekvenskammar, som tillhandahåller hundratals ekvidistanta och ömsesidigt koherenta laserlinjer. De är ultrakorta optiska pulser som sänds ut med en stabil repetitionsfrekvens som exakt motsvarar frekvensavståndet mellan kamlinjer. Fotodetektionen av pulserna producerar en mikrovågsbärare.

Under de senaste åren har det skett betydande framsteg när det gäller frekvenskammar i chipsskala som genereras från olinjära mikroresonatorer som drivs av kontinuerliga våglasrar. Dessa frekvenskammar förlitar sig på bildandet av dissipativa Kerr-solitoner, som är ultrakorta koherenta ljuspulser som cirkulerar inuti optiska mikroresonatorer. På grund av detta, dessa frekvenskammar kallas vanligtvis "solitonmikrokammar".

För att generera solitonmikrokamrar krävs olinjära mikroresonatorer, och dessa kan byggas direkt på chip med CMOS nanofabriceringsteknik. Samintegration med elektroniska kretsar och integrerade lasrar banar väg för att kamma miniatyrisering, tillåter en mängd tillämpningar inom metrologi, spektroskopi och kommunikation.

Publicerar i Naturfotonik , ett EPFL -forskargrupp ledd av Tobias J. Kippenberg har nu visat integrerade solitonmikrokammar med repetitionshastigheter så låga som 10 GHz. Detta uppnåddes genom att signifikant sänka de optiska förlusterna för integrerade fotoniska vågledare baserade på kiselnitrid, ett material som redan används i CMOS mikroelektroniska kretsar, och som också har använts under det senaste decenniet för att bygga fotoniska integrerade kretsar som styr laserljus på chip.

Forskarna kunde tillverka vågledare av kiselnitrid med den lägsta förlusten i alla fotoniska integrerade kretsar. Med denna teknik, de genererade koherenta solitonpulserna har upprepningshastigheter i både mikrovåg K- (~20 GHz, används i 5G) och X-band (~10 GHz, används i radar).

De resulterande mikrovågssignalerna har fasbrusegenskaper i nivå med eller till och med lägre än kommersiella elektroniska mikrovågssynthesizers. Demonstrationen av integrerade solitonmikrokammar vid mikrovågsrepetitionshastigheter överbryggar områdena för integrerad fotonik, olinjär optik och mikrovågsfotonik.

EPFL-teamet uppnådde en nivå av optiska förluster som är tillräckligt låga för att tillåta ljus att spridas nästan 1 meter i en vågledare som bara är 1 mikrometer i diameter, eller ungefär 100 gånger mindre än ett människohår. Denna förlustnivå är fortfarande mer än tre storleksordningar högre än värdet i optiska fibrer, men representerar den lägsta förlusten i någon tätt begränsande vågledare för integrerad olinjär fotonik hittills.

Så låga förluster är resultatet av en ny tillverkningsprocess som utvecklats av EPFL-forskare – den "fotoniska damasceneprocessen av kiselnitrid". "Denna process, när den utförs med djupt ultraviolett steglitografi, ger verkligt spektakulära prestanda när det gäller låga förluster, som inte kan uppnås med konventionella nanotillverkningstekniker, " säger Junqiu Liu, tidningens första författare som också leder tillverkningen av nanofotonchips av kiselnitrid vid EPFL:s Center of MicroNanoTechnology (CMi). "Dessa mikrokammar, och deras mikrovågssignaler, kan vara kritiska element för att bygga helt integrerade lågbrusmikrovågsoscillatorer för framtida arkitekturer för radar och informationsnätverk."

EPFL-teamet arbetar redan med medarbetare i USA för att utveckla hybridintegrerade soliton-mikrokammoduler som kombinerar halvledarlasrar i chipsskala. Dessa mycket kompakta mikrokammar kan påverka många applikationer, t.ex. transceivrar i datacentraler, LiDAR, kompakta optiska atomur, optisk koherens tomografi, mikrovågsfotonik, och spektroskopi.