Conventionele lithiumniobietmodulatoren, het oude werkpaard van de opto-elektronische industrie, kan binnenkort de weg van de vacuümbuis en floppy disc gaan. Onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences hebben een nieuwe methode ontwikkeld om geïntegreerde, on-chip modulatoren 100 keer kleiner en 20 keer efficiënter dan de huidige lithiumniobite (LN) modulatoren.

Het onderzoek is beschreven in Natuur .

"Dit onderzoek toont een fundamentele technologische doorbraak in geïntegreerde fotonica aan, " zei Marko Loncar, de Tiantsai Lin Professor of Electrical Engineering bij SEAS en senior auteur van het papier. "Ons platform kan leiden tot grootschalige, zeer snelle en ultra-low-loss fotonische circuits, waardoor een breed scala aan toepassingen mogelijk is voor toekomstige kwantum- en klassieke fotonische communicatie en berekeningen."

Harvard's Office of Technology Development (OTD) heeft nauw samengewerkt met het Loncar Lab bij de oprichting van een startend bedrijf, hyperlicht, dat van plan is een portfolio van fundamenteel intellectueel eigendom met betrekking tot dit onderzoek te commercialiseren. Het voorbereiden van de technologie voor de lancering van HyperLight is geholpen door financiering van OTD's Physical Sciences &Engineering Accelerator, die voorziet in translationele financiering voor onderzoeksprojecten die potentieel voor aanzienlijke commerciële impact laten zien.

Lithiumniobaatmodulatoren vormen de ruggengraat van moderne telecommunicatie, omzetten van elektronische gegevens naar optische informatie in glasvezelkabels. Echter, conventionele LN-modulators zijn omvangrijk, duur en hongerig. Deze modulatoren hebben een stuurspanning nodig van 3 tot 5 volt, aanzienlijk hoger dan die van typische CMOS-schakelingen, die ongeveer 1 volt levert. Als resultaat, verschillend, er zijn stroomverbruikende versterkers nodig om de modulatoren aan te sturen, opto-elektronische integratie op chipschaal ernstig beperken.

"We laten zien dat door lithiumniobaat te integreren op een kleine chip, de aandrijfspanning kan worden verlaagd tot een CMOS-compatibel niveau, " zei Cheng Wang, co-eerste auteur van het artikel, voormalig Ph.D. student en postdoctoraal onderzoeker bij SEAS, en momenteel assistent-professor aan de City University van Hong Kong. "Opmerkelijk, deze kleine modulatoren kunnen ook datatransmissiesnelheden tot 210 Gbit/s ondersteunen. Het is net Antman - kleiner, sneller en beter."

"Zeer geïntegreerde maar krachtige optische modulatoren zijn erg belangrijk voor de nauwere integratie van optica en digitale elektronica, de weg vrijmaken voor toekomstige fiber-in-fiber-out opto-elektronische verwerkingsmotoren, " zei Peter Winzer, Directeur van onderzoek naar optische transmissie bij Nokia Bell Labs, de industriële partner in dit project, en co-auteur van het artikel. "We zien deze nieuwe modulatortechnologie als een veelbelovende kandidaat voor dergelijke oplossingen."

Lithiumniobiet wordt door velen in het veld beschouwd als moeilijk om op kleine schaal mee te werken, een obstakel dat tot dusver praktisch geïntegreerde, on-chip toepassingen. In eerder onderzoek is Loncar en zijn team demonstreerden een techniek om hoogwaardige lithiumniobaat-microstructuren te fabriceren met behulp van standaard plasma-etsen om microresonatoren fysiek te boetseren in dunne lithiumniobaatfilms.

Door die techniek te combineren met speciaal ontworpen elektrische componenten, kunnen de onderzoekers nu een geïntegreerde, krachtige on-chip modulator.

"Eerder, als je modulatoren kleiner en meer geïntegreerd wilt maken, je moest hun prestaties in gevaar brengen, " zei Mian Zhang, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en co-eerste auteur van het onderzoek. "Bijvoorbeeld, bestaande geïntegreerde modulatoren kunnen gemakkelijk het grootste deel van het licht verliezen terwijl het zich op de chip voortplant. In tegenstelling tot, we hebben de verliezen met meer dan een orde van grootte verminderd. Eigenlijk, we kunnen het licht beheersen zonder het te verliezen."

"Omdat een modulator zo'n fundamenteel onderdeel is van communicatietechnologie - met een rol die vergelijkbaar is met die van een transistor in computertechnologie - zijn de toepassingen enorm, "zei Zhang. "Het feit dat deze modulatoren kunnen worden geïntegreerd met andere componenten op hetzelfde platform, zou praktische oplossingen kunnen bieden voor de volgende generatie optische netwerken op lange afstand, datacenter optische verbindingen, draadloze communicatie, radar, voelen enzovoort."