Als het epicentrum van de elektronica-revolutie is vernoemd naar het materiaal dat het mogelijk heeft gemaakt - silicium? - dan is de geboorteplaats van de fotonica-revolutie misschien wel vernoemd naar lithiumniobaat. Hoewel Lithium Niobate Valley niet dezelfde ring heeft als Silicon Valley, dit materiaal zou voor optica kunnen zijn wat silicium was voor elektronica.

Lithiumniobaat is al een van de meest gebruikte optische materialen, bekend om zijn elektro-optische eigenschappen, wat betekent dat het elektronische signalen efficiënt kan omzetten in optische signalen. Lithiumniobaatmodulatoren vormen de ruggengraat van moderne telecommunicatie, het omzetten van elektronische gegevens naar optische informatie aan het einde van glasvezelkabels.

Maar is het notoir moeilijk om op kleine schaal hoogwaardige apparaten te fabriceren met lithiumniobaat, een obstakel dat tot dusver praktisch geïntegreerde, on-chip toepassingen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben een techniek ontwikkeld om hoogwaardige optische microstructuren te fabriceren met behulp van lithiumniobaat, de deur openen naar ultra-efficiënte geïntegreerde fotonische circuits, kwantumfotonica, microgolf-naar-optische conversie en meer.

Het onderzoek is gepubliceerd in optiek .

"Dit onderzoek daagt de status-quo uit, " zei Marko Loncar, de Tiantsai Lin Professor of Electrical Engineering bij SEAS en senior auteur van het papier. "We hebben aangetoond dat je hoogwaardige lithiumniobaat-apparaten kunt maken - met ultralaag verlies en hoge optische opsluiting - met behulp van de conventionele microfabricageprocessen."

De meeste conventionele optische microstructuren worden gemaakt met behulp van chemische of mechanische etsprocessen. Maar lithiumniobaat is chemisch inert, wat betekent dat chemisch etsen van tafel is.

"Het gebruik van chemisch etsen op lithiumniobaat is als het gebruik van water om nagellak te verwijderen. het gaat gewoon niet werken, " zei Mian Zhang, co-eerste auteur van de paper en postdoctoraal onderzoeker bij SEAS. "Vroeger, mechanisch etsen is ook uitgesloten omdat er een vooroordeel bestaat dat lithiumniobaat is als een stuk rots dat niet soepel kan worden gebeeldhouwd."

Maar het Loncar-lab - dat bekend staat om hun diamantwerk - heeft ervaring met taaie materialen. Op basis van die expertise met diamanten, het team gebruikte standaard plasma-etsen om microresonators fysiek te boetseren in dunne lithiumniobaatfilms van het bedrijf NANOLN.

De onderzoekers toonden aan dat de nanogolfgeleiders licht konden voortplanten over een pad van een meter lang, terwijl ze slechts ongeveer de helft van hun optische kracht verloren. In vergelijking, licht dat zich in de vorige lithiumniobaatapparaten voortplant, zou over dezelfde afstand ten minste 99 procent van het licht verliezen.

"De nanogolfgeleiders die we hier demonstreren, hebben een voortplantingsverlies van minder dan drie dB per meter, wat betekent dat we nu geavanceerde manipulatie van licht kunnen doen over een padlengte van één meter, " zei Cheng Wang, co-eerste auteur van de paper en postdoctoraal onderzoeker bij SEAS. "We laten ook zien dat je deze golfgeleiders strak kunt buigen, zodat een meterlange golfgeleider daadwerkelijk in een centimetergrote chip kan worden verpakt."

"Dit is een belangrijke doorbraak in geïntegreerde fotonica en lithiumniobaatfotonica, " zei Qiang Lin, Universitair hoofddocent elektrische en computertechniek en universitair hoofddocent optica aan de Universiteit van Rochester, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Dit opent de deur naar een verscheidenheid aan intrigerende functionaliteiten, mogelijk gemaakt door de unieke optische en elektrische eigenschappen van lithiumniobaat die niet voorkomen in andere optische media."

"Dit onderzoek toont aan dat dit relatief onontgonnen materiaal klaar is voor kritieke toepassingen in optische verbindingen voor datacenters, " zei Joseph Kahn, Hoogleraar Elektrotechniek aan de Stanford University, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Thin-film lithiumniobaat (TFLN) is bij uitstek geschikt voor alle functies die het moduleren van licht of het verschuiven van de lichtfrequentie vereisen. De komende jaren zullen TFLN zal een sleutelrol spelen bij het mogelijk maken van kleine, goedkoop, optische modules met laag vermogen voor datacenters om functionaliteit te bereiken die vergelijkbaar is met de huidige telecommunicatieapparatuur, die veel groter is, duurder, en meer macht belust."

Volgende, de onderzoekers willen voortbouwen op deze resultaten en een lithiumniobaatplatform ontwikkelen voor een breed scala aan toepassingen, waaronder optische communicatie, kwantumberekening en communicatie en microgolffotonica.