Se l'epicentro della rivoluzione dell'elettronica prende il nome dal materiale che l'ha resa possibile, il silicio?, allora il luogo di nascita della rivoluzione fotonica potrebbe benissimo essere chiamato come il niobato di litio. Mentre la Lithium Niobate Valley non ha lo stesso anello della Silicon Valley, questo materiale potrebbe essere per l'ottica quello che il silicio è stato per l'elettronica.

Il niobato di litio è già uno dei materiali ottici più utilizzati, noto per le sue proprietà elettro-ottiche, il che significa che può convertire in modo efficiente i segnali elettronici in segnali ottici. I modulatori al niobato di litio sono la spina dorsale delle moderne telecomunicazioni, convertire i dati elettronici in informazioni ottiche all'estremità dei cavi in ​​fibra ottica.

Ma è notoriamente difficile fabbricare dispositivi di alta qualità su piccola scala utilizzando niobato di litio, un ostacolo che ha finora escluso pratiche integrate, applicazioni su chip.

Ora, ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato una tecnica per fabbricare microstrutture ottiche ad alte prestazioni utilizzando niobato di litio, aprendo la porta a circuiti fotonici integrati ultra efficienti, fotonica quantistica, conversione da microonde a ottica e altro ancora.

La ricerca è pubblicata su ottica .

"Questa ricerca sfida lo status quo, " ha detto Marko Loncar, il Tiantsai Lin Professor di Ingegneria Elettrica presso SEAS e autore senior del documento. "Abbiamo dimostrato che è possibile fabbricare dispositivi al niobato di litio di alta qualità, con perdite ultrabasse e confinamento ottico elevato, utilizzando i processi di microfabbricazione convenzionali".

La maggior parte delle microstrutture ottiche convenzionali sono realizzate utilizzando processi di attacco chimico o meccanico. Ma il niobato di litio è chimicamente inerte, il che significa che l'incisione chimica è fuori discussione.

"Utilizzare l'incisione chimica sul niobato di litio è come usare l'acqua per rimuovere lo smalto, semplicemente non funzionerà, " ha detto Mian Zhang, co-primo autore dell'articolo e borsista post-dottorato presso SEAS. "Nel passato, anche l'incisione meccanica è stata esclusa perché c'era un preconcetto che il niobato di litio fosse come un pezzo di roccia che non può essere scolpito senza intoppi".

Ma il laboratorio Loncar, noto per la lavorazione dei diamanti, ha esperienza con materiali resistenti. Attingendo a quell'esperienza con i diamanti, il team ha utilizzato l'incisione al plasma standard per scolpire fisicamente i microrisonatori in sottili pellicole di niobato di litio fornite dalla società NANOLN.

I ricercatori hanno dimostrato che le nanoguide possono propagare la luce su un percorso lungo un metro perdendo solo circa la metà della loro potenza ottica. In confronto, la luce che si propagava nei precedenti dispositivi al niobato di litio perderebbe almeno il 99 percento della luce sulla stessa distanza.

"Le nanoguide che dimostriamo qui hanno una perdita di propagazione inferiore a tre dB per metro, il che significa che ora possiamo fare una sofisticata manipolazione della luce su un percorso di un metro, " ha detto Cheng Wang, co-primo autore dell'articolo e borsista post-dottorato presso SEAS. "Mostriamo anche che puoi piegare strettamente queste guide d'onda, in modo che una guida d'onda lunga un metro possa effettivamente essere imballata all'interno di un chip delle dimensioni di un centimetro".

"Si tratta di una svolta significativa nella fotonica integrata e nella fotonica del niobato di litio, " disse Qiang Lin, Professore Associato di Ingegneria Elettrica e Informatica e Professore Associato di Ottica presso l'Università di Rochester, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Questo apre la porta verso una varietà di funzionalità intriganti, consentito dalle proprietà ottiche ed elettriche uniche del niobato di litio che non esistono in altri supporti ottici".

"Questa ricerca dimostra che questo materiale relativamente inesplorato è pronto per affrontare applicazioni critiche nei collegamenti ottici per i data center, " ha detto Joseph Kahn, Professore di Ingegneria Elettrica presso la Stanford University, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Il niobato di litio a film sottile (TFLN) è particolarmente adatto per qualsiasi funzione che richieda la modulazione della luce o lo spostamento della frequenza della luce.? Nei prossimi anni, TFLN giocherà un ruolo chiave nel consentire a piccoli, poco costoso, moduli ottici a bassa potenza per data center per ottenere funzionalità simili alle odierne apparecchiature di telecomunicazione, che è molto più grande, più costoso, e più assetato di potere."

Prossimo, i ricercatori mirano a basarsi su questi risultati e sviluppare una piattaforma di niobato di litio per un'ampia gamma di applicazioni, tra cui la comunicazione ottica, computazione quantistica e comunicazione e fotonica a microonde.