Konventionella litiumniobatmodulatorer [höger] är ryggraden i modern telekommunikation, konvertera elektronisk data till optisk information i fiberoptiska kablar men är skrymmande, dyrt och strömkrävande. Denna integrerade, on-chip modulator [center] är 100 gånger mindre och 20 gånger effektivare. Kredit:Harvard SEAS
Konventionella litiumniobitmodulatorer, den optoelektroniska industrins långvariga arbetshäst, kan snart gå vägen för vakuumröret och disketten. Forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences har utvecklat en ny metod för att tillverka och designa integrerade, on-chip modulatorer 100 gånger mindre och 20 gånger effektivare än nuvarande litiumniobite (LN) modulatorer.
Forskningen beskrivs i Natur .
"Denna forskning visar ett grundläggande tekniskt genombrott inom integrerad fotonik, " sa Marko Loncar, Tiantsai Lin professor i elektroteknik vid SEAS och senior författare till tidningen. "Vår plattform kan leda till storskaliga, mycket snabba och ultra-låga förluster fotoniska kretsar, möjliggör ett brett utbud av applikationer för framtida kvantkommunikation och klassisk fotonisk kommunikation och beräkning."
Harvards Office of Technology Development (OTD) har arbetat nära med Loncar Lab för att bilda ett startup-företag, HyperLight, som har för avsikt att kommersialisera en portfölj av grundläggande immateriella rättigheter relaterade till denna forskning. Att förbereda tekniken mot lanseringen av HyperLight har fått hjälp av finansiering från OTD:s Physical Sciences &Engineering Accelerator, som ger translationell finansiering för forskningsprojekt som visar potential för betydande kommersiell påverkan.
Litiumniobatmodulatorer är ryggraden i modern telekommunikation, omvandling av elektronisk data till optisk information i fiberoptiska kablar. Dock, konventionella LN-modulatorer är skrymmande, dyrt och strömkrävande. Dessa modulatorer kräver en drivspänning på 3 till 5 volt, betydligt högre än vad som tillhandahålls av typiska CMOS-kretsar, som ger ca 1 volt. Som ett resultat, separat, strömförbrukande förstärkare behövs för att driva modulatorerna, kraftigt begränsande chip-skala optoelektronisk integration.
Fiberoptiska nätverk, ryggraden i internet, förlita sig på högfientlig informationskonvertering från elektrisk till den optiska domänen. Forskarna kombinerade det bästa optiska materialet med innovativa nanotillverkning och designmetoder, att inse, energieffektiva, hög hastighet, låg förlust, elektrooptiska omvandlare för kvantkommunikation och klassisk kommunikation. Kredit:Second Bay Studios/Harvard SEAS
"Vi visar att genom att integrera litiumniobat på ett litet chip, drivspänningen kan reduceras till en CMOS-kompatibel nivå, sa Cheng Wang, medförsta författare till tidningen, tidigare Ph.D. student och postdoktor vid SEAS, och för närvarande biträdande professor vid City University of Hong Kong. "Anmärkningsvärt nog, dessa små modulatorer kan också stödja dataöverföringshastigheter upp till 210 Gbit/s. Det är som Antman - mindre, snabbare och bättre."
"Mycket integrerade men ändå högpresterande optiska modulatorer är mycket viktiga för en närmare integration av optik och digital elektronik, banar väg mot framtida fiber-in-fiber-ut opto-elektroniska processmotorer, sa Peter Winzer, Direktör för Optical Transmission Research på Nokia Bell Labs, den industriella partnern i detta projekt, och medförfattare till tidningen. "Vi ser denna nya modulatorteknologi som en lovande kandidat för sådana lösningar."
Litiumniobite anses av många inom området vara svårt att arbeta med i liten skala, ett hinder som hittills har uteslutit praktisk integrerad, on-chip applikationer. I tidigare forskning, Loncar och hans team demonstrerade en teknik för att tillverka högpresterande litiumniobatmikrostrukturer med standard plasmaetsning för att fysiskt skulptera mikroresonatorer i tunna litiumniobatfilmer.
Genom att kombinera den tekniken med specialdesignade elektriska komponenter, forskarna kan nu designa och tillverka en integrerad, högpresterande on-chip modulator.
"Tidigare, om du ville göra modulatorer mindre och mer integrerade, du var tvungen att kompromissa med deras prestanda, " sa Mian Zhang, en postdoktor vid SEAS och medförfattare till forskningen. "Till exempel, befintliga integrerade modulatorer kan lätt förlora större delen av ljuset när det sprider sig på chipet. I kontrast, vi har minskat förlusterna med mer än en storleksordning. Väsentligen, vi kan kontrollera ljuset utan att förlora det."
"Eftersom en modulator är en så grundläggande komponent i kommunikationsteknik - med en roll som motsvarar den för en transistor i beräkningsteknik - är applikationerna enorma, ", sa Zhang. "Det faktum att dessa modulatorer kan integreras med andra komponenter på samma plattform kan ge praktiska lösningar för nästa generations optiska långdistansnätverk, datacenter optiska sammankopplingar, trådlös kommunikation, radar, avkänning och så vidare."
