I modulatori convenzionali al niobato di litio [a destra] sono la spina dorsale delle moderne telecomunicazioni, convertire i dati elettronici in informazioni ottiche in cavi in fibra ottica ma sono ingombranti, costoso e assetato di potere. Questo integrato, modulatore su chip [centro] è 100 volte più piccolo e 20 volte più efficiente. Credito:Harvard SEAS
Modulatori convenzionali al niobito di litio, il cavallo di battaglia di lunga data dell'industria optoelettronica, potrebbe presto fare la fine del tubo a vuoto e del floppy disc. I ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences hanno sviluppato un nuovo metodo per fabbricare e progettare modulatori su chip 100 volte più piccoli e 20 volte più efficienti degli attuali modulatori al niobito di litio (LN).
La ricerca è descritta in Natura .
"Questa ricerca dimostra una svolta tecnologica fondamentale nella fotonica integrata, " ha detto Marko Loncar, il Tiantsai Lin Professor di Ingegneria Elettrica presso SEAS e autore senior del documento. "La nostra piattaforma potrebbe portare a su larga scala, circuiti fotonici molto veloci e a bassissima perdita, consentendo una vasta gamma di applicazioni per la futura comunicazione e calcolo fotonico quantistico e classico".
L'Office of Technology Development (OTD) di Harvard ha lavorato a stretto contatto con il Loncar Lab per la formazione di una startup, Iperluce, che intende commercializzare un portafoglio di proprietà intellettuale fondamentale relativo a questa ricerca. La preparazione della tecnologia per il lancio di HyperLight è stata aiutata dai finanziamenti di Physical Sciences &Engineering Accelerator di OTD, che fornisce finanziamenti traslazionali per progetti di ricerca che mostrano un potenziale di impatto commerciale significativo.
I modulatori al niobato di litio sono la spina dorsale delle moderne telecomunicazioni, conversione di dati elettronici in informazioni ottiche in cavi in fibra ottica. Però, i modulatori LN convenzionali sono ingombranti, costoso e assetato di potere. Questi modulatori richiedono una tensione di pilotaggio da 3 a 5 volt, significativamente superiore a quello fornito dai tipici circuiti CMOS, che fornisce circa 1 volt. Di conseguenza, separato, sono necessari amplificatori che consumano energia per pilotare i modulatori, limitando gravemente l'integrazione optoelettronica su scala di chip.
Reti in fibra ottica, la spina dorsale di Internet, si basano sulla conversione delle informazioni ad alta fedeltà dal dominio elettrico a quello ottico. I ricercatori hanno combinato il miglior materiale ottico con innovativi approcci di nanofabbricazione e progettazione, realizzare, energia efficiente, alta velocità, a bassa perdita, convertitori elettro-ottici per comunicazioni quantistiche e classiche. Credito:Second Bay Studios/Harvard SEAS
"Mostriamo che integrando il niobato di litio su un piccolo chip, la tensione dell'unità può essere ridotta a un livello compatibile con CMOS, " ha detto Cheng Wang, co-primo autore dell'articolo, ex dottorato di ricerca studente e borsista post-dottorato presso SEAS, e attualmente Assistant Professor presso la City University di Hong Kong. "Sorprendentemente, questi minuscoli modulatori possono anche supportare velocità di trasmissione dati fino a 210 Gbit/s. È come Antman:più piccolo, più veloce e migliore."
"I modulatori ottici altamente integrati ma ad alte prestazioni sono molto importanti per una più stretta integrazione dell'ottica e dell'elettronica digitale, aprendo la strada ai futuri motori di elaborazione optoelettronici fibre-in-fiber-out, " ha detto Peter Winzer, Direttore della ricerca sulla trasmissione ottica presso i Nokia Bell Labs, il partner industriale in questo progetto, e coautore del paper. "Vediamo questa nuova tecnologia di modulazione come un candidato promettente per tali soluzioni".
Il niobito di litio è considerato da molti nel settore difficile da lavorare su piccola scala, un ostacolo che ha finora escluso pratiche integrate, applicazioni su chip. In precedenti ricerche, Loncar e il suo team hanno dimostrato una tecnica per fabbricare microstrutture di niobato di litio ad alte prestazioni utilizzando l'incisione al plasma standard per scolpire fisicamente i microrisonatori in sottili pellicole di niobato di litio.
Combinando quella tecnica con componenti elettrici appositamente progettati, i ricercatori possono ora progettare e fabbricare un integrato, modulatore on-chip ad alte prestazioni.
"In precedenza, se volessi rendere i modulatori più piccoli e più integrati, dovevi compromettere le loro prestazioni, " ha detto Mian Zhang, borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore della ricerca. "Per esempio, i modulatori integrati esistenti possono facilmente perdere la maggior parte della luce mentre si propaga sul chip. In contrasto, abbiamo ridotto le perdite di oltre un ordine di grandezza. Essenzialmente, possiamo controllare la luce senza perderla."
"Poiché un modulatore è un componente così fondamentale della tecnologia delle comunicazioni, con un ruolo equivalente a quello di un transistor nella tecnologia di calcolo, le applicazioni sono enormi, " ha affermato Zhang. "Il fatto che questi modulatori possano essere integrati con altri componenti sulla stessa piattaforma potrebbe fornire soluzioni pratiche per le reti ottiche a lunga distanza di prossima generazione, interconnessioni ottiche per data center, comunicazioni senza fili, radar, rilevamento e così via."
