Forskere demonstrerer optiske mikrostrukturer af høj kvalitet ved hjælp af lithiumniobat

Hvis elektronikrevolutionens epicenter er opkaldt efter det materiale, der gjorde det muligt - silicium? - så kan fotonikrevolutionens fødested meget vel være opkaldt efter lithiumniobat. Selvom Lithium Niobate Valley ikke har den samme ring som Silicon Valley, dette materiale kunne være til optik, hvad silicium var til elektronik.

Lithiumniobat er allerede et af de mest udbredte optiske materialer, kendt for sine elektrooptiske egenskaber, hvilket betyder, at det effektivt kan konvertere elektroniske signaler til optiske signaler. Litiumniobatmodulatorer er rygraden i moderne telekommunikation, konvertering af elektroniske data til optisk information i slutningen af ​​fiberoptiske kabler.

Men er det notorisk svært at fremstille enheder af høj kvalitet i lille skala ved hjælp af lithiumniobat, en forhindring, der hidtil har udelukket praktisk integreret, on-chip applikationer.

Nu, forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har udviklet en teknik til at fremstille højtydende optiske mikrostrukturer ved hjælp af lithiumniobat, åbne døren til ultraeffektive integrerede fotoniske kredsløb, kvante fotonik, mikrobølge-til-optisk konvertering og mere.

Forskningen er publiceret i Optica .

"Denne forskning udfordrer status quo, " sagde Marko Loncar, Tiantsai Lin -professor i elektroteknik ved SEAS og seniorforfatter af papiret. "Vi demonstrerede, at du kan fremstille højkvalitets lithiumniobat-enheder - med ultralavt tab og høj optisk indeslutning - ved hjælp af de konventionelle mikrofremstillingsprocesser."

De fleste konventionelle optiske mikrostrukturer fremstilles ved hjælp af processer med kemisk eller mekanisk ætsning. Men lithiumniobat er kemisk inert, betyder, at kemisk ætsning er ude af bordet.

"At bruge kemisk ætsning på lithiumniobat er som at bruge vand til at fjerne neglelak, det går bare ikke, " sagde Mian Zhang, medforfatter af papiret og postdoktor ved SEAS. "I fortiden, mekanisk ætsning er også blevet udelukket, fordi der har været en forforståelse om, at lithiumniobat er som et stykke klippe, der ikke kan skulptureres glat."

Men Loncar -laboratoriet - som er kendt for deres diamantarbejde - har erfaring med hårde materialer. Ved at trække på den ekspertise med diamanter, holdet brugte standard plasmaætsning til fysisk at forme mikroresonatorer i tynde lithiumniobatfilm leveret af virksomheden NANOLN.

Forskerne demonstrerede, at nanowaveguides kunne sprede lys på tværs af en meters længde, mens de kun tabte omkring halvdelen af ​​deres optiske effekt. Sammenlignet med, lys, der formerer sig i de tidligere lithiumniobat -enheder, ville miste mindst 99 procent af lyset over den samme afstand.

"De nanowaveguides, vi demonstrerer her, har et forplantningstab på mindre end tre dB pr. Meter, hvilket betyder, at vi nu kan lave sofistikeret manipulation af lys over en meters længde, "sagde Cheng Wang, medførsteforfatter af papiret og postdoc ved SEAS. "Vi viser også, at du kan bøje disse bølgeledere stramt, så en meter lang bølgeleder faktisk kan pakkes inde i en centimeter-størrelse chip."

"Dette er et betydeligt gennembrud inden for integreret fotonik og lithiumniobatfotonik, "sagde Qiang Lin, Lektor i elektro- og computerteknik og lektor i optik ved University of Rochester, som ikke var involveret i forskningen. "Dette åbner døren til en række spændende funktioner, aktiveret af de unikke optiske og elektriske egenskaber ved lithiumniobat, som ikke findes i andre optiske medier. "

"Denne forskning viser, at dette relativt uudforskede materiale er klar til at adressere kritiske applikationer i optiske links til datacentre, "sagde Joseph Kahn, Professor i elektroteknik ved Stanford University, som ikke var involveret i forskningen. "Tyndfilm lithiumniobat (TFLN) er unikt velegnet til alle funktioner, der kræver modulerende lys eller forskydning af lysfrekvensen.? I løbet af de næste par år har TFLN vil spille en central rolle i at muliggøre små, billig, laveffekt optiske moduler til datacentre for at opnå funktionalitet svarende til nutidens telekommunikationsudstyr, som er langt større, dyrere, og mere magtkrævende."

Næste, forskerne sigter mod at bygge videre på disse resultater og udvikle lithiumniobatplatform til en lang række applikationer, herunder optisk kommunikation, kvanteberegning og kommunikation og mikrobølge fotonik.