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immagine: (a) Immagine al microscopio ottico dell'isolatore fabbricato; (b) Sezione trasversale della guida d'onda LNOI caricata con SiN; (c) l'allineamento dell'elettrodo ad onda progressiva alla guida d'onda; e (d) immagine SEM della guida d'onda LNOI caricata con SiN fabbricata.vedere di più

Credito: OES

Una nuova pubblicazione da Opto-Electronic Science; DOI 10.29026/oes.2023.220022 considera l'isolatore spazio-temporale in niobato di litio sull'isolante.

La fotonica integrata sta facendo passi da gigante verso l’ospitare una gamma crescente di funzionalità su un chip. Gli esempi includono l'elaborazione e il calcolo delle informazioni, nonché le applicazioni di rilevamento e misurazione ottica. Ciò ha stimolato i progressi nelle sorgenti di luce laser integrate, necessarie affinché i chip fotonici diventino dispositivi veramente autonomi. Pertanto, anche l'isolamento su chip diventa importante per sopprimere il feedback dannoso per il loro funzionamento.

I dispositivi ottici non reciproci possono essere realizzati utilizzando tre metodi: polarizzazione magnetica, non linearità ottica e modulazione spaziotemporale. La polarizzazione magnetica è intrinsecamente a banda larga ma richiede materiali magneto-ottici con perdite. I dispositivi non lineari e non reciproci sono realizzabili monoliticamente in alcuni materiali, ma il loro funzionamento è complicato dalla dipendenza dalla potenza in ingresso. Al contrario, gli isolatori che sfruttano la modulazione spaziotemporale non presentano tali problemi di ridimensionamento della potenza e possono essere facilmente integrati monoliticamente, in particolare su piattaforme con eccellenti caratteristiche elettro-ottiche, come il niobato di litio su isolante (LNOI).

In questo contributo, il funzionamento non reciproco è ottenuto utilizzando la modulazione spaziotemporale di due sfasatori a onda viaggiante in cascata. Il segnale a microonde applicato ai modulatori e alla linea di ritardo assicura che il loro effetto sulla luce che si propaga in avanti si annulli in modo che la sua firma spettrale rimanga invariata. Tuttavia, la potenza ottica a propagazione inversa viene dispersa spettralmente nelle bande laterali, che vengono poi soppresse da un filtro risonatore ad anello, consentendo un isolamento ottico di 27 dB.

Il niobato di litio, grazie alla sua ampia trasparenza spettrale, alle elevate capacità di gestione della potenza e alle forti proprietà non lineari ed elettro-ottiche, è rimasto per decenni un materiale di base nell'ottica non lineare e nelle comunicazioni in fibra ottica. L'emergere relativamente recente del film sottile di niobato di litio su isolante (LNOI), come analogo diretto della fotonica del silicio su isolante, ha consentito la creazione di guide d'onda di niobato di litio con confinamenti in modalità stretta, che allo stesso modo consentono sistemi densamente integrati su scala wafer. fotonica. I recenti risultati straordinari su LNOI includono efficienti pettini di frequenza elettro-ottici e modulatori che operano a livelli di tensione CMOS, tuttavia, le prospettive a lungo termine per la fotonica LNOI sono ampie e includono LiDAR completamente integrato, reti neurali ottiche o dispositivi di elaborazione del segnale RF per citare alcuni. I prerequisiti chiave per tali sviluppi sono le tecniche emergenti di integrazione eterogenea di sorgenti luminose coerenti su chip, che per il loro funzionamento stabile devono essere isolate dal feedback del resto del circuito. Per affrontare questo problema il gruppo di ricerca dell'illustre professore Arnan Mitchell dell'università RMIT realizza isolatori integrati nella piattaforma di guida d'onda LNOI.

Il loro dispositivo, illustrato nella micrografia della Figura 1 (a), è stato fabbricato utilizzando un approccio con guida d'onda LNOI caricata, in cui il contrasto dell'indice di rifrazione per il confinamento della luce è ottenuto non mediante attacco del niobato di litio, ma mediante elaborazione di uno strato di nitruro di silicio che viene depositato sopra il wafer LNOI. Il design dell'isolatore si basa su un approccio di modulazione tandem in cui due sezioni identiche del modulatore di fase d'onda progressiva sono collegate in serie e separate da una linea di ritardo ad anello. I modulatori sono pilotati alla stessa frequenza del segnale armonico ma con uno spostamento di fase, in modo che per la propagazione della luce i due modulatori si contrastano a vicenda e la luce portante con lunghezza d'onda di 1550 nm esce dal dispositivo invariata. D'altra parte, per la propagazione inversa, questo equilibrio stabilito dalla linea di ritardo e dall'offset di fase del segnale modulante non è valido, quindi l'azione di entrambi i modulatori disperde cumulativamente e spettralmente l'energia portante in più bande laterali. L'ingresso del dispositivo viene filtrato attraverso un risonatore a pista adattato alla frequenza portante ma progettato per respingere eventuali bande laterali spettrali indotte dalla modulazione.