Un primo

May 29, 2023

Un isolatore ottico sviluppato presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) potrebbe migliorare drasticamente i sistemi ottici per molte applicazioni pratiche.

Tutti i sistemi ottici, utilizzati per le telecomunicazioni, la microscopia, l’imaging, la fotonica quantistica e altro ancora, si basano su un laser per generare fotoni e raggi di luce. Per evitare danni e instabilità a questi laser, questi sistemi richiedono anche isolatori, componenti che impediscono alla luce di viaggiare in direzioni indesiderate. Gli isolatori aiutano anche a ridurre il rumore del segnale impedendo alla luce di rimbalzare liberamente. Ma gli isolatori convenzionali sono di dimensioni relativamente ingombranti e richiedono più di un tipo di materiale per essere uniti, creando un ostacolo al raggiungimento di prestazioni migliorate.

Ora, un team di ricercatori guidato dall’ingegnere elettrico Marko Lončar della SEAS ha sviluppato un metodo per costruire un isolatore integrato altamente efficiente che è perfettamente incorporato in un chip ottico fatto di niobato di litio. I loro risultati sono riportati su Nature Photonics.

Micrografia ottica del chip isolatore elettro-ottico su niobato di litio a film sottile, comprendente quattro dispositivi con lunghezza di modulazione variabile. (Credito: Loncar Lab/Harvard SEAS)

“Abbiamo costruito un dispositivo che lascia che la luce emessa dal laser si propaghi inalterata, mentre la luce riflessa che ritorna verso il laser cambia colore e viene deviata lontano dal laser”, ha affermato Lončar, Tiantsai Lin Professore di Ingegneria Elettrica presso la SEAS . "Ciò si ottiene inviando segnali elettrici nella direzione dei segnali ottici riflessi, sfruttando così le eccellenti proprietà elettro-ottiche del niobato di litio", in cui è possibile applicare tensione per modificare le proprietà dei segnali ottici, inclusi velocità e colore .

"Volevamo creare un ambiente più sicuro in cui operare un laser e, progettando questa strada a senso unico per la luce, possiamo proteggere il dispositivo dal riflesso del laser", ha affermato Mengjie Yu, co-primo autore dell'articolo e coautore dell'articolo. ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Lončar. “Per quanto ne sappiamo, rispetto a tutte le altre dimostrazioni di isolatori integrati, questo dispositivo offre il miglior isolamento ottico al mondo. Oltre all’isolamento, offre le prestazioni più competitive in tutti i parametri, tra cui perdite, efficienza energetica e possibilità di regolazione”.

"La cosa eccezionale di questo dispositivo è che nella sua essenza è incredibilmente semplice: in realtà è un solo modulatore", afferma Rebecca Cheng, co-prima autrice dell'articolo e attualmente dottoranda. studente nel laboratorio di Lončar. “Tutti i precedenti tentativi di progettare qualcosa di simile richiedevano più risonatori e modulatori. Il motivo per cui possiamo farlo con prestazioni così straordinarie è dovuto alle proprietà del niobato di litio”.

Un altro motivo delle elevate prestazioni ed efficienza ha a che fare con le dimensioni del dispositivo: il team lo ha costruito presso l'Harvard Center for Nanoscale Systems, fabbricando un chip di 600 nanometri di spessore con incisioni (per guidare la luce utilizzando nanostrutture prescritte) fino a 320 nanometri di profondità.

"Con un dispositivo più piccolo, puoi controllare la luce più facilmente e anche posizionarla più vicino ai segnali elettrici, ottenendo così un campo elettrico più forte con la stessa tensione", consentendo un controllo più potente della luce, ha detto Yu.

Le dimensioni ridotte e la proprietà di perdita ultrabassa di questa piattaforma aumentano anche la potenza ottica.

"Poiché la luce non deve viaggiare così lontano, c'è meno decadimento e perdita di potenza", ha detto Cheng.

Infine, i team dimostrano che il dispositivo può proteggere con successo un laser su chip dalla riflessione esterna.

"Siamo il primo team a dimostrare il funzionamento a fase stabile del laser sotto la protezione del nostro isolatore ottico", ha affermato Yu.

Nel complesso, questo progresso rappresenta un significativo passo avanti per i chip ottici pratici e ad alte prestazioni. Il team riferisce che può essere utilizzato con una gamma di lunghezze d'onda laser, richiedendo solo un segnale elettrico di contropropagazione per ottenere gli effetti desiderati.