Circuito integrado fotônico - Photonic integrated circuit
Um circuito integrado fotônico ( PIC ) ou circuito óptico integrado é um dispositivo que integra várias (pelo menos duas) funções fotônicas e, como tal, é semelhante a um circuito integrado eletrônico . A principal diferença entre os dois é que um circuito integrado fotônico fornece funções para sinais de informação impostos em comprimentos de onda ópticos normalmente no espectro visível ou infravermelho próximo 850 nm-1650 nm.
A plataforma de material mais utilizada comercialmente para circuitos integrados fotônicos é o fosfeto de índio (InP), que permite a integração de várias funções opticamente ativas e passivas no mesmo chip. Os exemplos iniciais de circuitos integrados fotônicos foram os lasers simples de refletor Bragg distribuído de 2 seções (DBR), consistindo em duas seções de dispositivo controladas de forma independente - uma seção de ganho e uma seção de espelho DBR. Consequentemente, todos os lasers sintonizáveis monolíticos modernos, lasers amplamente sintonizáveis, lasers e transmissores modulados externamente , receptores integrados, etc. são exemplos de circuitos integrados fotônicos. A partir de 2012, os dispositivos integram centenas de funções em um único chip. O trabalho pioneiro nesta arena foi realizado no Bell Laboratories. Os centros acadêmicos de excelência de circuitos fotônicos integrados mais notáveis no InP são a Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, nos Estados Unidos, e a Universidade de Tecnologia de Eindhoven, na Holanda.
Um desenvolvimento de 2005 mostrou que o silício pode, mesmo sendo um material bandgap indireto, ainda ser usado para gerar luz laser por meio da não linearidade Raman. Esses lasers não são acionados eletricamente, mas sim opticamente e, portanto, ainda precisam de uma fonte de laser de bomba ótica adicional.
Comparação com integração eletrônica
Ao contrário da integração eletrônica, onde o silício é o material dominante, os circuitos integrados fotônicos do sistema foram fabricados a partir de uma variedade de sistemas de materiais, incluindo cristais eletro-ópticos, como niobato de lítio , sílica no silício, silício no isolador , vários polímeros e materiais semicondutores que são usados para fazer lasers semicondutores como GaAs e InP . Os diferentes sistemas de materiais são usados porque cada um oferece diferentes vantagens e limitações, dependendo da função a ser integrada. Por exemplo, PICs baseados em sílica (dióxido de silício) têm propriedades muito desejáveis para circuitos fotônicos passivos, como AWGs (veja abaixo) devido às suas perdas comparativamente baixas e baixa sensibilidade térmica, PICs baseados em GaAs ou InP permitem a integração direta de fontes de luz e silício Os PICs permitem a co-integração da fotônica com a eletrônica baseada em transistores.
As técnicas de fabricação são semelhantes às usadas em circuitos integrados eletrônicos nos quais a fotolitografia é usada para modelar wafers para gravação e deposição de material. Ao contrário da eletrônica, em que o dispositivo principal é o transistor , não existe um único dispositivo dominante. A gama de dispositivos necessários sobre um chip inclui baixa perda de interconexão de guias de onda , divisores de potência, amplificadores ópticos , moduladores ópticos , filtros, lasers e detectores. Esses dispositivos requerem uma variedade de materiais e técnicas de fabricação diferentes, tornando difícil realizar todos eles em um único chip.
Novas técnicas usando interferometria fotônica ressonante estão abrindo caminho para que LEDs UV sejam usados para requisitos de computação óptica com custos muito mais baratos abrindo caminho para produtos eletrônicos de consumo PHz petahertz .
Exemplos de circuitos integrados fotônicos
A principal aplicação para circuitos integrados fotônicos é na área de comunicação de fibra óptica, embora aplicações em outros campos, como computação biomédica e fotônica, também sejam possíveis.
A grade de guia de onda em matriz (AWG) que é comumente usada como (des) multiplexadores ópticos em sistemas de comunicação de fibra óptica multiplexados por divisão de comprimento de onda (WDM) são um exemplo de um circuito integrado fotônico que substituiu esquemas de multiplexação anteriores que utilizavam vários elementos de filtro discretos. Uma vez que a separação de modos ópticos é uma necessidade para a computação quântica , esta tecnologia pode ser útil para miniaturizar computadores quânticos (consulte computação quântica óptica linear ).
Outro exemplo de chip fotônico integrado amplamente utilizado hoje em sistemas de comunicação de fibra óptica é o laser modulado externamente (EML), que combina um diodo de laser de retroalimentação distribuída com um modulador de eletroabsorção em um único chip baseado em InP .
Status atual
A integração fotônica é atualmente um tópico ativo nos contratos de defesa dos Estados Unidos. Ele é incluído pelo Optical Internetworking Forum para inclusão nos padrões de rede óptica de 100 gigahertz.
Veja também
Notas
Referências
- Larry Coldren; Scott Corzine; Milan Mashanovitch (2012). Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits (Segunda ed.). John Wiley and Sons. ISBN 9781118148181.
- McAulay, Alastair D. (1999). Arquiteturas ópticas de computadores: a aplicação de conceitos ópticos a computadores de última geração .
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