Оптическая микрофотография чипа электрооптического изолятора на тонкопленочном ниобате лития, состоящего из четырех устройств с различной длиной модуляции.
Предоставлено: Лаборатория Лонкара/Гарвардский университет SEAS.

Все оптические системы, используемые в телекоммуникациях, микроскопии, визуализации, квантовой фотонике и т. д., полагаются на лазер для генерации фотонов и пучков света. Чтобы предотвратить повреждение и нестабильность этих лазеров, этим системам также требуются изоляторы, компоненты, которые предотвращают распространение света в нежелательных направлениях. Изоляторы также помогают уменьшить шум сигнала, предотвращая беспрепятственное распространение света. Но обычные изоляторы были относительно громоздкими по размеру и требовали соединения нескольких типов материалов, что препятствовало достижению улучшенных характеристик.

«Мы создали устройство, которое позволяет свету, излучаемому лазером, распространяться без изменений, в то время как отраженный свет, возвращающийся к лазеру, меняет свой цвет и перенаправляется в сторону от лазера», — сказал Лончар, профессор электротехники Тяньцай Линь в SEAS. «Это достигается путем отправки электрических сигналов в направлении отраженных оптических сигналов, что позволяет использовать превосходные электрооптические свойства ниобата лития», в котором напряжение может применяться для изменения свойств оптических сигналов, включая скорость и цвет.

«Мы хотели создать более безопасную среду для работы лазера, и, спроектировав эту улицу с односторонним движением для света, мы можем защитить устройство от отражения лазера», — сказал Мэнцзе Ю, соавтор статьи и один из бывший постдокторант лаборатории Лончара. «Насколько нам известно, по сравнению со всеми другими демонстрационными интегрированными изоляторами, это устройство обеспечивает лучшую оптическую изоляцию в мире. Помимо изоляции, оно предлагает наиболее конкурентоспособные характеристики по всем показателям, включая потери, энергоэффективность и настраиваемость».

«Что особенного в этом устройстве, так это то, что по своей сути оно невероятно просто — на самом деле, это всего лишь один единственный модулятор», — говорит Ребекка Ченг, соавтор статьи и действующий доктор философии, студент в лаборатории Лончара. «Все предыдущие попытки разработать что-то подобное требовали нескольких резонаторов и модуляторов. Причина, по которой мы можем сделать это с такими замечательными характеристиками, заключается в свойствах ниобата лития».

Другая причина высокой производительности и эффективности связана с размером устройства — команда построила его в Гарвардском центре наноразмерных систем, изготовив чип толщиной 600 нанометров с травлением (для направления света с помощью заданных наноструктур) до 320 нанометров глубиной.

«С помощью устройства меньшего размера вы можете легче управлять светом, а также помещать этот свет ближе к электрическим сигналам, тем самым достигая более сильного электрического поля при том же напряжении», — сказал Ю.

Уменьшенные размеры и сверхнизкие потери этой платформы также повышают оптическую мощность. «Поскольку свету не нужно путешествовать так далеко, происходит меньше распада и потери энергии», — сказал Ченг.

Наконец, команды показывают, что устройство может успешно защитить встроенный лазер от внешнего отражения. «Мы первая команда, которая продемонстрировала фазово-стабильную работу лазера под защитой нашего оптического изолятора», — сказал Ю.

В целом, продвижение представляет собой значительный скачок вперед для практичных высокопроизводительных оптических чипов. Команда сообщает, что его можно использовать с диапазоном длин волн лазера, требуя только встречного электрического сигнала для достижения желаемых эффектов.

Команда надеется, что прорыв — часть более масштабных усилий по интеграции лазеров и фотонных компонентов на чипе в чрезвычайно малых масштабах — откроет новые возможности в ряде приложений, от телекоммуникационной отрасли до частотно-временной передачи, способа точного измерения вплоть до атомного и субатомного масштаба, что может иметь значение для квантовых исследований и вычислений.

«Интеграция всех аспектов оптической системы в один чип может заменить многие более крупные, более дорогие и менее эффективные системы», — сказал Ю. «Объединение всех этих вещей может произвести революцию во многих областях работы».