Diseño y desarrollo de osciladores de microondas en chips fotónicos de silicio

Los osciladores de microondas son dispositivos electrónicos u optoelectrónicos que a su salida dan un tono de microondas (frecuencias de GHz) muy puro. La pureza se mide por el ruido de fase, que tiene que ser muy bajo. Los osciladores de microondas con menor ruido son optoelectrónicos, en los que el dispositivo se alimenta con una señal óptica procedente de un láser, dentro del dispositivo se genera la señal de microondas que modula la luz del láser, siendo después esa luz fotodetectada para tener a la salida el requerido tono de microondas. Hay muchos osciladores de microondas en el mercado, pero suelen ser voluminosos, pesados y caros, además de consumir mucha potencia. Estas limitaciones quedan resueltas al implementar el oscilador optoelectrónico con tecnología optomecánica, ya que conseguimos un dispositivo de bajo tamaño, peso y coste, y que consume poca potencia.

Una cavidad optomecánica es una estructura que permite la localización simultánea de ondas ópticas y mecánicas. Típicamente se realiza en las micro- y nano-escala, con tamaños que van desde decenas de micras hasta 100 nanómetros. Así, permiten localizar ondas con longitudes de onda en esa escala, lo que significa que la luz puede tener frecuencias desde visible a la banda de comunicaciones ópticas, y el sonido desde algunos megahercios hasta varios gigahercios (GHz).

Una posible realización de una cavidad optomecánica es la creación de una estructura periódica en una tira suspendida de un semiconductor (por ejemplo: silicio) donde se inserta un defecto para localizar las ondas. Estas cavidades optomecánicas en silicio se pueden fabricar mediante tecnología estándar de silicio, por lo que son compatibles con circuitería electrónica y fotónica.

En el NTC, y en el seno del proyecto europeo PHENOMEN, se tiene conocimiento para el diseño, fabricación y testado de cavidades optomecánicas en chips de silicio. En particular se ha desarrollado una cavidad optomecánica en un chip de silicio que permite confinar luz a frecuencias de comunicaciones ópticas y ondas mecánicas con frecuencia alrededor de 4 GHz, consiguiéndose bajo ciertas condiciones, que un láser de entrada excite el modo mecánico de 4GHz y al amplificarse la señal mecánica modula en amplitud la señal óptica de entrada por lo que, al fotodetectar, obtenemos una señal de microondas (a la frecuencia de la resonancia mecánica de 4GHz) muy pura, caracterizada por un ruido de fase inferior a -100dBc/Hz a 100 kHz.

Este funcionamiento es el esperado de los dispositivos llamados osciladores optoelectrónicos de microondas: dispositivos capaces de generar señales de microondas muy puras usando técnicas ópticas. En nuestro dispositivo, al contrario que en otro tipo de osciladores optoelectrónicos, el fenómeno físico es la interacción optomecánica, por lo que lo llamamos a este tipo de desarrollos oscilador optomecánico de microondas.
Así pues tenemos la capacidad de diseñar osciladores de microondas con frecuencias entre 2 y 10 GHz, ruidos de fase < -100 dBc/Hz a 100 kHz en un tamaño menor a 10 ¿m2 en un chip fotónico de silicio, con consumos de potencia del orden de 1 mW, lo que supera a sus competidores en el mercado.

Responsable científico: Martínez Abietar Alejandro José
Participantes Martínez Abietar Alejandro José, Griol Barres Amadeu

Aplicaciones

  • Generación de tonos muy puros de microondas (entre 2 y 10 GHz) modulando en una portadora óptica en un chip fotónico de silicio. Uso en comunicaciones inalámbricas, radar, lidar, comunicaciones espaciales, etc.

Ventajas técnicas

  • El ruido de fase observado es del orden de magnitud de muchos osciladores comerciales de gama media. En nuestro caso, la gran ventaja es que el tamaño es ultra-compacto y que puede ser integrado en un chip de silicio, por lo que tiene un gran potencial de uso en aplicaciones en las que es clave el pequeño tamaño y peso, como es el caso del sector aeroespacial.

Beneficios que aporta

Experiencia relevante

  • El grupo tiene experiencia de más de 20 años en circuitos fotónicos en silicio y en fotónica de microondas. Además, las capacidades del NTC permiten el diseño, la fabricación y el testeo de los chips nanofotónicos con la calidad adecuada.