Om elektronikrevolutionens epicentrum är uppkallat efter materialet som gjorde det möjligt - kisel? - då kan fotonikrevolutionens födelseort vara uppkallat efter litiumniobat. Även om Litium Niobate Valley inte har samma ring som Silicon Valley, detta material kan vara för optik vad kisel var för elektronik.

Litiumniobat är redan ett av de mest använda optiska materialen, känd för sina elektrooptiska egenskaper, vilket innebär att den effektivt kan omvandla elektroniska signaler till optiska signaler. Litiumniobatmodulatorer är ryggraden i modern telekommunikation, konvertera elektronisk data till optisk information i slutet av fiberoptiska kablar.

Men är det notoriskt svårt att tillverka högkvalitativa enheter i liten skala med litiumniobat, ett hinder som hittills har uteslutit praktisk integrering, on-chip applikationer.

Nu, forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utvecklat en teknik för att tillverka högpresterande optiska mikrostrukturer med litiumniobat, öppna dörren till ultraeffektiva integrerade fotoniska kretsar, kvantfotonik, mikrovågs-till-optisk konvertering och mer.

Forskningen publiceras i Optica .

"Denna forskning utmanar status quo, "sa Marko Loncar, Tiantsai Lin -professor i elektroteknik vid SEAS och seniorförfattare till tidningen. "Vi visade att du kan tillverka högkvalitativa litiumniobatenheter-med ultralåg förlust och hög optisk inneslutning-med konventionella mikrofabriceringsprocesser."

De flesta konventionella optiska mikrostrukturer tillverkas med användning av processer för kemisk eller mekanisk etsning. Men litiumniobat är kemiskt inert, vilket betyder att kemisk etsning är borta från bordet.

"Att använda kemisk etsning på litiumniobat är som att använda vatten för att ta bort nagellack, det kommer bara inte att fungera, "sa Mian Zhang, medförfattare till tidningen och postdoktor vid SEAS. "Förr, mekanisk etsning har också uteslutits eftersom det har funnits en förutfattning om att litiumniobat är som en stenbit som inte kan formas smidigt. "

Men Loncar -labbet - som är känt för sitt diamantarbete - har erfarenhet av tuffa material. Utifrån denna expertis med diamanter, laget använde standard plasmaetsning för att fysiskt skulptera mikroresonatorer i tunna litiumniobatfilmer från företaget NANOLN.

Forskarna visade att nanowaveguides kunde sprida ljus över en meters längd medan de bara förlorade ungefär hälften av sin optiska effekt. I jämförelse, ljus som sprider sig i de tidigare litiumniobatenheterna skulle förlora minst 99 procent av ljuset över samma avstånd.

"Nanovågledarna som vi visar här har en förökningsförlust på mindre än tre dB per meter, vilket betyder att vi nu kan göra sofistikerad manipulation av ljus över en meters längd, "sa Cheng Wang, medförfattare till tidningen och postdoktor vid SEAS. "Vi visar också att du kan böja dessa vågledare tätt, så att en meter lång vågledare faktiskt kan packas in i ett centimeterstort chip. "

"Detta är ett betydande genombrott inom integrerad fotonik och litiumniobatfotonik, "sade Qiang Lin, Docent i elektroteknik och datorteknik och docent i optik vid University of Rochester, som inte var inblandad i forskningen. "Detta öppnar dörren till en mängd spännande funktioner, aktiveras av de unika optiska och elektriska egenskaperna hos litiumniobat som inte finns i andra optiska medier. "

"Denna forskning visar att detta relativt outforskade material är redo att ta itu med kritiska applikationer i optiska länkar för datacenter, "sa Joseph Kahn, Professor i elektroteknik vid Stanford University, som inte var inblandad i forskningen. "Tunnfilms litiumniobat (TFLN) är unikt väl lämpad för alla funktioner som kräver modulering av ljus eller förskjutning av ljusfrekvens.? Under de närmaste åren, TFLN kommer att spela en nyckelroll för att möjliggöra små, billig, lågeffektoptiska moduler för datacenter för att uppnå funktionalitet som liknar dagens telekommunikationsutrustning, som är mycket större, dyrare, och mer makthungrig. "

Nästa, forskarna syftar till att bygga vidare på dessa resultat och utveckla litiumniobatplattform för ett brett spektrum av applikationer, inklusive optisk kommunikation, kvantberäkning och kommunikation och mikrovågsfotonik.