Em um avanço que pode redefinir a infraestrutura de comunicações ópticas, pesquisadores da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), do Karlsruhe Institute of Technology (KIT) e do Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology demonstraram um novo chip fotônico capaz de transmitir dados a velocidades superiores a 500 gigabits por segundo.

O trabalho, publicado neste sábado (28), na Nature Communications, descreve a integração em escala de wafer de filmes ultrafinos de tântalo de lítio sobre circuitos de nitreto de silício — combinação que une baixa perda óptica e modulação eletro-óptica ultrarrápida.

“Estabelecemos o tântalo de lítio sobre nitreto de silício como uma plataforma viável para comunicações de alta velocidade, fotônica de radiofrequência e processamento analógico de sinais”, escrevem os autores no artigo.

Circuitos fotônicos integrados são considerados essenciais para ampliar a capacidade de transmissão de dados em data centers, redes 5G e futuras infraestruturas 6G. O nitreto de silício já é amplamente usado por sua baixa perda óptica — medida aqui em cerca de 14,2 dB por metro no dispositivo híbrido. Mas ele não possui propriedades eletro-ópticas naturais.

Para contornar essa limitação, a equipe integrou tântalo de lítio, material ferroelétrico com forte efeito Pockels — fenômeno que permite modular a luz por meio de campos elétricos.

“O tântalo de lítio oferece coeficientes eletro-ópticos comparáveis aos do nióbio de lítio, mas com maior estabilidade, menor birrefringência e maior resistência a danos ópticos”, destacam os pesquisadores.

Os moduladores fabricados atingiram largura de banda eletro-óptica próxima de 100 GHz, mantendo resposta plana em uma ampla faixa de frequências. O dispositivo apresentou tensão de meia-onda (V?) de 6 volts em um modulador de 6,8 mm, equivalente a um produto V?L de 4,08 V·cm — parâmetro que indica eficiência energética.

Testes de estabilidade mostraram variação inferior a 0,5 dB ao longo de uma hora sob polarização DC, desempenho superior ao relatado anteriormente em plataformas monolíticas semelhantes.

Nos experimentos de comunicação óptica: com modulação PAM4 (modulação por amplitude de pulso), o chip alcançou taxa líquida de 333 Gbit/s; em esquemas coerentes com modulação 16-QAM, atingiu taxa líquida de 581 Gbit/s.

Segundo os autores, esses números superam métricas previamente relatadas para plataformas fotônicas híbridas baseadas em nitreto de silício.

Um dos diferenciais do estudo é o processo de fabricação em escala de wafer de 100 milímetros, com rendimento de ligação de 100% nos campos centrais do chip. A técnica evita etapas agressivas de gravação plasma no tântalo de lítio, reduzindo defeitos e instabilidades.

O processo também é compatível com fluxos industriais já utilizados na fabricação de semicondutores CMOS — fator crucial para aplicações comerciais.

Além de comunicações ópticas ultrarrápidas, a plataforma pode ser aplicada em osciladores fotônicos de micro-ondas; transdutores micro-ondas–ópticos; LiDAR de varredura rápida e interfaces com pentes de frequência Kerr.

Os autores sugerem ainda que futuras integrações com materiais III-V poderiam expandir a funcionalidade, incluindo fontes ópticas ativas no mesmo chip.

Se os resultados se confirmarem em ambientes industriais, a arquitetura híbrida pode se tornar um dos pilares da próxima geração de redes de altíssima capacidade — um passo decisivo na corrida global por infraestrutura digital mais rápida e eficiente.