Fotoniska integrerade kretsar som använder ljus istället för elektricitet för beräkning och signalbehandling lovar högre hastighet, ökad bandbredd, och högre energieffektivitet än traditionella kretsar som använder el.

Men de är ännu inte tillräckligt små för att konkurrera i datorer och andra tillämpningar där elektriska kretsar fortsätter att råda.

Elektroingenjörer vid University of Rochester tror att de har tagit ett stort steg för att ta itu med problemet. Med hjälp av ett material som allmänt antagits av fotonikforskare, Rochester-teamet har skapat den minsta elektrooptiska modulatorn hittills. Modulatorn är en nyckelkomponent i ett fotonikbaserat chip, styr hur ljuset rör sig genom sina kretsar.

I Naturkommunikation , Qiang Lins labb, professor i el- och datateknik, beskriver användning av en tunn film av litiumniobat (LN) bunden på ett kiseldioxidskikt för att skapa inte bara den minsta LN-modulatorn hittills, men också en som arbetar i hög hastighet och är energieffektiv.

Detta "banar en avgörande grund för att realisera storskaliga LN fotoniska integrerade kretsar som är av enorm betydelse för breda tillämpningar inom datakommunikation, mikrovågsfotonik, och kvantfotonik, " skriver huvudförfattaren Mingxiao Li, en doktorand i Lins labb.

Ett arbetshästmaterial

På grund av dess enastående elektrooptiska och olinjära optiska egenskaper, litiumniobat har "blivit ett materialsystem för arbetshäst för fotonikforskning och utveckling, " säger Lin. "Men nuvarande LN fotoniska enheter, tillverkad på antingen bulkkristall eller tunnfilmsplattform kräver stora dimensioner och är svåra att skala ner i storlek, vilket begränsar moduleringseffektiviteten, energiförbrukning, och graden av kretsintegration. En stor utmaning ligger i att göra nanoskopiska fotoniska strukturer av hög kvalitet med hög precision."

Modulatorprojektet bygger på labbets tidigare användning av litiumniobat för att skapa en fotonisk nanokavitet - en annan nyckelkomponent i fotoniska chips. Endast cirka en mikron i storlek, nanokavitet kan ställa in våglängder med endast två till tre fotoner vid rumstemperatur - "första gången vi vet att till och med två eller tre fotoner har manipulerats på detta sätt vid rumstemperatur, " säger Lin. Den enheten beskrevs i en tidning i Optica .

Modulatorn skulle kunna användas tillsammans med en nanokavitet för att skapa ett fotoniskt chip i nanoskala.