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引发光子学革命的材料——铌酸锂
2017.12.26   点击169次
【导读】哈佛大学工程与应用科学学院的研究人员开发出一种技术,这种技术可以利用铌酸锂制造出高性能的光学显微结构。从而开启了超高效集成光子电路、量子光子学、微波-光转换等领域的大门。

    如果说电子革命的起源是以硅材料兴起的,那么光子学革命的诞生就可以用铌酸锂来命名。虽然铌酸锂没有像硅那样相同的环,但这种材料可以用于光学就像硅用于电子学一样。 

    铌酸锂是最广泛使用的光电材料之一,其电光特性出众,这意味着它可以有效将电子信号转换成光信号。铌酸锂调制器是现代通信技术的支柱,其可以将电子数据转换为光缆末端的光信息。 

    但是,使用铌酸锂却难以小规模地制造高质量器件,迄今为止,这一难题排除了铌酸锂在实用集成片上的应用。 

    现在,哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员已经开发出一种技术,这一技术可以利用铌酸锂制造出高性能的光学显微结构。从而开启了超高效集成光子电路、量子光子学、微波 - 光转换等领域的大门。 

    这项科研成果发表在了《Optica》杂志上。 

    “这项研究对现状提出了挑战,”哈佛大学工程与应用科学学院的机电工程教授Marko Loncar说,“我们的实验证明,使用传统的微加工工艺,您可以制造出高质量的铌酸锂器件,这一器件具有超低损耗和高光学限制。” 

    大多数传统的光学显微结构是使用化学或机械蚀刻工艺制成的。但铌酸锂是化学惰性的,这意味着化学蚀刻对于铌酸锂来讲效果并不好。 

    哈佛大学工程与应用科学学院的博士后兼该研究的第一作者Mian Zhang说:“在铌酸锂上使用化学蚀刻就像用水去除指甲油一样,这样是起不了太大作用的。“过去,机械蚀刻法被科研人员排除在外,因为人们一直认为铌酸锂就像一块不能被平滑雕刻的岩石。 

    但是以钻石研究而闻名的Loncar实验室对于坚硬的材料却有着丰富的经验。凭借钻石行业的专业知识,该团队使用标准等离子蚀刻法在NANOLN公司提供的薄铌酸锂薄膜上物理雕刻微谐振器。 

    研究人员证明,纳米波导可以在一米长的光路上传播光线,而光功率只损失了大约一半。相比之下,在先前的铌酸锂器件中传播的光将在相同的距离上损失至少99%的光。 

    我们在这里展示的纳米波导的传播损耗仅为每米3 分贝,这意味着现在我们可以在1米的路径长度上对光进行复杂的操纵,哈佛大学工程与应用科学学院的博士后兼该研究的共同第一作者Cheng Wang说:“我们还发现,我们可以试图弯曲这些波导,所以一米长的波导就能在一厘米大小的芯片内被压缩。” 

    “这是集成光子学和铌酸锂光子学方面的一个重大突破,”罗切斯特大学电子与计算机工程副教授兼光学副教授Qiang Lin说,他本人并没有参与这项研究。 “由于其他光学介质中不存在像铌酸锂这样独特的光学和电学特性,铌酸锂的这一重大发现开启了许多有趣领域的大门。”
斯坦福大学电气工程系教授约瑟夫·卡恩(Joseph Kahn)说:“这项研究表明,这一相对未被很好开发的材料,非常有助于解决数据中心光链路的关键性应用问题。“薄膜铌酸锂(TFLN)非常适用于需要调光或改变光频的任何功能的应用。在接下来的几年中,薄膜铌酸锂(TFLN)将在实现微型、廉价、低功耗光学器件等用于数据中心的模块方面发挥关键作用,以实现与今天的通信设备类似的功能,而后者不仅规模大、成本高,而且耗电量大。
 

    接下来,研究人员的目标是在目前的科研基础上,进一步开发出铌酸锂的应用平台,将其用于光通信、量子计算和通信以及微波光子学等领域。

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