Los microcombs de solitones a escala de chip representan un avance significativo en la tecnología de fuentes de luz, ofreciendo soluciones más compactas y eficientes en comparación con los láseres de frecuencia tradicionales, que suelen ocupar grandes espacios en laboratorios. Estos microcombs son capaces de generar pulsos de luz ultracortos dentro de microresonadores y están alcanzando niveles de precisión sin precedentes, esenciales en aplicaciones como la navegación espacial, las comunicaciones ópticas de alta velocidad y el lidar.
Un aspecto crítico de los microcombs de solitones es el jitter de tiempo, que se refiere a las pequeñas fluctuaciones en la temporización de sus pulsos de luz. Estas variaciones, causadas por ruidos ambientales o inestabilidades internas, pueden comprometer la precisión y fiabilidad de los sistemas que dependen de una temporización exacta. Por ejemplo, en sistemas de lidar, el jitter puede introducir incertidumbre en las mediciones de distancia, mientras que en la transmisión de datos de alta velocidad, puede provocar distorsiones de la señal y reducir la integridad de los datos.
Avances en microresonadores de silicio nitruro
Un equipo internacional de investigación ha abordado este desafío mediante el desarrollo de una nueva plataforma basada en microresonadores de silicio nitruro (Si3N4) gestionados por dispersión, que operan a una frecuencia de repetición de 89 GHz. Este diseño innovador permite reducir los cruces de modos evitados (AMX), que suelen ser difíciles de controlar en las configuraciones de dispersión constante tradicionales. Al moldear la dispersión dentro del resonador, el equipo logró suprimir estas interrupciones y obtener señales más estables.
Para construir el microresonador, los investigadores depositaron una capa de 3 micrómetros de dióxido de silicio (SiO2) sobre un oblea de silicio y luego una capa de 800 nanómetros de Si3N4 utilizando deposición química en fase vapor a baja presión. Esta capa fue luego modelada en un resonador en forma de anillo mediante litografía ultravioleta profunda de 248 nanómetros. Finalmente, se añadió una capa de óxido al microresonador ya estructurado.
Durante las pruebas, el equipo exploró diferentes estados de funcionamiento, incluyendo estados de solitón único, múltiples solitones y formaciones de cristal de solitones. Usando un método de interferometría de alta sensibilidad, midieron el jitter de tiempo hasta el rango de zeptosegundos. Los resultados mostraron que el estado de solitón único producía consistentemente la señal más limpia, con un ruido de intensidad relativa (RIN) de -153.2 dB/Hz y un jitter de tiempo tan bajo como 1.7 femtosegundos para rangos de frecuencia entre 10 kHz y 1 MHz. Para un rango de frecuencia más amplio, desde 10 kHz hasta el límite de Nyquist de 44.5 GHz, el jitter integrado se mantuvo tan bajo como 32.3 fs.
El diseño DM también estabilizó la frecuencia central de los microcombs, ayudando a evitar jitter adicional causado por la deriva de frecuencia. Aunque los niveles de jitter variaron ligeramente entre los estados de solitón, el rendimiento se mantuvo excepcionalmente estable en general. Según el autor correspondiente, Wenzheng Liu, “logramos jitter de tiempo en el rango de femtosegundos por primera vez en microcombs gestionados por dispersión”.
El equipo también identificó la principal fuente de ruido de baja frecuencia como las fluctuaciones de potencia intracavitaria, un hallazgo que abre la puerta a futuras mejoras, donde el jitter de tiempo podría reducirse potencialmente a niveles sub-femtosegundos. “La fuente de ruido primaria a frecuencias de bajo desplazamiento es la fluctuación en la longitud efectiva de la cavidad, que surge de las fluctuaciones de potencia intracavitaria en el microresonador. En los microcombs gestionados por dispersión, observamos desplazamientos centrales de frecuencia despreciables, lo que ayuda a prevenir procesos de conversión de ruido relacionados con desplazamientos de frecuencia central”, señala Chee Wei Wong, profesor de la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA.
Al alcanzar niveles de jitter de tiempo en el rango de femtosegundos en una plataforma integrada compacta, el microcomb gestionado por dispersión establece un nuevo estándar. Estos avances abren nuevas posibilidades para el despliegue de solitones a escala de chip en la navegación espacial, redes de datos ultrarrápidas y sistemas de medición cuántica.
Más información: Wenting Wang et al, Mapping ultrafast timing jitter in dispersion-managed 89 GHz frequency microcombs via self-heterodyne linear interferometry, Advanced Photonics Nexus (2025). DOI: 10.1117/1.APN.4.3.036011
