Si l'épicentre de la révolution électronique tire son nom du matériau qui l'a rendue possible – le silicium ? – alors le lieu de naissance de la révolution photonique pourrait bien être nommé d'après le niobate de lithium. Alors que Lithium Niobate Valley n'a pas le même anneau que la Silicon Valley, ce matériau pourrait être pour l'optique ce que le silicium était pour l'électronique.

Le niobate de lithium est déjà l'un des matériaux optiques les plus utilisés, bien connu pour ses propriétés électro-optiques, ce qui signifie qu'il peut convertir efficacement les signaux électroniques en signaux optiques. Les modulateurs au niobate de lithium sont l'épine dorsale des télécommunications modernes, convertir des données électroniques en informations optiques à l'extrémité des câbles à fibres optiques.

Mais est-il notoirement difficile de fabriquer des appareils de haute qualité à petite échelle en utilisant du niobate de lithium, un obstacle qui a jusqu'à présent exclu la pratique intégrée, applications sur puce.

Maintenant, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont mis au point une technique pour fabriquer des microstructures optiques hautes performances à l'aide de niobate de lithium, ouvrir la porte à des circuits photoniques intégrés ultra performants, photonique quantique, conversion micro-ondes-optique et plus.

La recherche est publiée dans Optique .

"Cette recherche remet en question le statu quo, " a déclaré Marko Loncar, le professeur Tiantsai Lin de génie électrique à SEAS et auteur principal de l'article. « Nous avons démontré que vous pouvez fabriquer des dispositifs au niobate de lithium de haute qualité, avec une perte ultrafaible et un confinement optique élevé, en utilisant les processus de microfabrication conventionnels. »

La plupart des microstructures optiques classiques sont réalisées à l'aide de procédés de gravure chimique ou mécanique. Mais le niobate de lithium est chimiquement inerte, ce qui signifie que la gravure chimique est hors de la table.

"Utiliser une gravure chimique sur du niobate de lithium, c'est comme utiliser de l'eau pour enlever le vernis à ongles, ça ne va pas marcher, " a déclaré Mian Zhang, co-premier auteur de l'article et stagiaire postdoctoral à SEAS. "Autrefois, la gravure mécanique a également été exclue car il existe une idée préconçue selon laquelle le niobate de lithium est comme un morceau de roche qui ne peut pas être sculpté en douceur. »

Mais le laboratoire Loncar, connu pour son travail au diamant, a de l'expérience avec les matériaux durs. Fort de cette expertise des diamants, l'équipe a utilisé une gravure plasma standard pour sculpter physiquement des microrésonateurs dans des films minces de niobate de lithium fournis par la société NANOLN.

Les chercheurs ont démontré que les nanoguides d'ondes pouvaient propager la lumière sur un trajet d'un mètre de longueur tout en ne perdant que la moitié environ de leur puissance optique. En comparaison, la lumière se propageant dans les précédents dispositifs au niobate de lithium perdrait au moins 99% de lumière sur la même distance.

"Les nanoguides d'ondes que nous démontrons ici ont une perte de propagation inférieure à trois dB par mètre, ce qui signifie que maintenant nous pouvons faire une manipulation sophistiquée de la lumière sur une longueur de trajet d'un mètre, " a déclaré Cheng Wang, co-premier auteur de l'article et stagiaire postdoctoral à SEAS. "Nous montrons également que vous pouvez plier étroitement ces guides d'ondes, de sorte qu'un guide d'ondes d'un mètre de long puisse être emballé dans une puce de la taille d'un centimètre. »

"Il s'agit d'une percée significative dans la photonique intégrée et la photonique au niobate de lithium, " dit Qiang Lin, Professeur agrégé de génie électrique et informatique et professeur agrégé d'optique à l'Université de Rochester, qui n'a pas participé à la recherche. « Cela ouvre la porte à une variété de fonctionnalités intéressantes, permis par les propriétés optiques et électriques uniques du niobate de lithium qui n'existent pas dans d'autres supports optiques."

"Cette recherche démontre que ce matériau relativement inexploré est prêt à adresser des applications critiques dans les liaisons optiques pour les centres de données, " dit Joseph Kahn, Professeur de génie électrique à l'Université de Stanford, qui n'a pas participé à la recherche. "Le niobate de lithium en couche mince (TFLN) est particulièrement bien adapté à toutes les fonctions nécessitant une modulation de la lumière ou un décalage de la fréquence de la lumière. Au cours des prochaines années, TFLN jouera un rôle clé en permettant à de minuscules, peu coûteux, modules optiques à faible consommation pour les centres de données afin d'obtenir des fonctionnalités similaires aux équipements de télécommunication d'aujourd'hui, qui est bien plus grand, plus cher, et plus avide de pouvoir."

Prochain, les chercheurs visent à s'appuyer sur ces résultats et à développer une plate-forme de niobate de lithium pour un large éventail d'applications, notamment la communication optique, calcul et communication quantiques et photonique hyperfréquence.