Harvard Durchbruch bringt leistungsstarke UV-Quellen auf einen Chip

Die Verkleinerung ßstab erwies sich jedoch als schwierig, da dieses Licht beim Durchlaufen optischer Wellenleiter schnell an Stärke verliert, was bisher praktische Designs einschränkte.

Ein ührtes Team aus dem Labor čar, dem Tiantsai Lin Professor für Elektrotechnik, hat ein mikrometergroßes photonisches Bauteil auf Basis von Dünnschicht-Lithiumniobat demonstriert, das auf einem Chip etwa 100 Mal mehr UV-Licht erzeugt als frühere Methoden.

Die in Nature Communications veröffentlichte Studie hebt Lithiumniobat als vielversprechende Plattform für die kompakte, effiziente und hochenergetische UV-Erzeugung hervor. Anstatt zu versuchen, UV-Licht direkt zu leiten, erzeugt das Gerät es intern, indem es rotes Licht in UV umwandelt.

Dieser Prozess, der Frequenz-Upconversion genannt wird,

Dieser Prozess, der Frequenz-Upconversion genannt wird, kombiniert zwei rote Photonen im Lithiumniobatkristall, der bei der Frequenzumwandlung sehr effizient ist, um ein einzelnes UV-Photon mit höherer Energie zu erzeugen.

„Unsere Gruppe ist vielleicht am bekanntesten für die Nutzung für photonische Bauelemente, die bei längeren, infraroten Wellenlängen arbeiten – näher am Bereich der Telekommunikationssignale“, sagte Lončar.

Aber er fügte hinzu, dass dieses transparente kristalline Material, das bereits in der integrierten Photonik weit verbreitet ist, auch kürzere Wellenlängen wie UV leiten und erzeugen kann.

Wenn die Leute an [dünnfilm-Lithiumniobat] denken,

„Wenn die Leute an [dünnfilm-Lithiumniobat] denken, denken sie nicht daran als UV-Material, aber wir zeigen, dass es das ist“, sagte der Co-Erstautor Kees Franken, ehemaliger Forschungsmitarbeiter im Lončar-Labor.

„Wir zeigen auch, dass dort einige andere nichtlineare Effekte ablaufen, die wir noch nicht vollständig verstehen.“ Neue Methode: Seitenwand-Poling Im Bauteil durchläuft das Licht Wellenleiter, welche mikroskopisch kleine Kanäle sind, die in das Material geätzt wurden.

Die effiziente Umwandlung das sorgfältige Umkehren der Kristallstruktur in regelmäßigen Abständen entlang des Wellenleiters, ein nanofabrizationsprozess, der als Poling bekannt ist. Das Erreichen dieses präzisen Musters im Submikrometerbereich über Zentimeter lange (etwa 0,4 Zoll) Bauteile war ein großes Hindernis.

Frühere Methoden beinhalteten Kompromisse.

Frühere Methoden beinhalteten Kompromisse. Das Poling des gesamten Films reduzierte die Flexibilität zur Korrektur , während das Vorformen der Wellenleiter die Effizienz einschränkte, weil die Elektroden zu weit entfernt und das Material nur teilweise beeinflussten.

Das Team begegnete dieser Herausforderung mit einer Technik namens „Seitenwand-Poling“. Anstatt die Elektroden nur auf der Oberfläche der Schicht zu platzieren, positionierten sie fein gemusterte Metall„Finger“ direkt entlang der Seiten des Wellenleiters.

Eine während der Herstellung angelegte kleine Spannung kehrt die Kristalldomänen in einer eng kontrollierten Anordnung um. „Die Schlüsselidee war: Könnten wir die Elektroden direkt auf den Wellenleiter bringen?“, sagte Co-Erstautor und ehemaliger Doktorand Soumya Ghosh.

Es ist ein hochpräziser Herstellungsprozess, um

„Es ist ein hochpräziser Herstellungsprozess, um die Elektroden zu positionieren, aber er erfordert eine Genauigkeit 50 Nanometern.“ Dieser Ansatz stellt sicher, dass der Kristall über den gesamten Querschnitt des Wellenleiters vollständig invertiert ist, was es dem Licht ermöglicht, mit einem optimal strukturierten Material zu interagieren und die Umwandlungseffizienz zu maximieren.

Die Forscher passten außerdem den Abstand der umgepolten Bereiche entlang des Bauteils mithilfe von „adaptiertem Poling“ an, das im Lončar-Labor und an anderen Orten entwickelt wurde, um Variationen in Dicke und Form auszugleichen. Die Ergebnisse zeigen einen erhöhten Ausgangsleistung.

Das Team berichtet von 4,2 Milliwatt UV-Licht auf dem Chip bei einer Wellenlänge von 390 Nanometern, was etwa 120 Mal höher ist als bei früheren Dünnfilm-Lithiumniobat-Bauteilen, die in diesem Bereich arbeiten.

Frühere Versuche lieferten nur Zehntel Mikrowatt,

Frühere Versuche lieferten nur Zehntel Mikrowatt, was ausreichte, um das Konzept zu demonstrieren, aber nicht für den praktischen Einsatz ausreichend war. Zuverlässige UV-Lichtquellen im Chipmaßstab sind für neuartige Systeme wie Ionenfallen-Quantencomputer wichtig, bei denen Schlüsselübergänge.

„Wenn Sie einen skalierbaren Quantencomputer wollen, der nicht so groß ist wie ein Lastwagen, müssen Sie alles auf Chipniveau skalieren, und das beinhaltet die Lichtquellen“, sagte Franken. Derselbe Wellenlängenbereich könnte auch kompakte Umweltsensoren zur Verfolgung ützen.

Franken und Ghosh sagten, dass der Fortschritt die Fähigkeit der Gruppe widerspiegelt, jede Entwicklungsstufe intern zu bewältigen, bis zur Fertigung und dem Testen.

Die praktische Intuition, die wir darüber

„Die praktische Intuition, die wir darüber gewonnen haben, wie man ein Gerät baut, während wir gleichzeitig den übergeordneten Überblick darüber behalten, wofür dieses Gerät ist und wie wir es charakterisieren wollten – das ist ein großer Teil dessen, was dieses Projekt für uns ermöglicht hat“, sagte Ghosh.

Reference: "Milliwatt-level UV generation using sidewall poled lithium niobate" by C. A.

A. Franken, S.

Warum das relevant ist

S. Ghosh, C.

C. Rodrigues, J.

Yang, C. J.

Warum das relevant ist

Xin, S. Lu, D.

Witt, G. Joe, G.

S. Wiederhecker, K.-J.

Boller and M.

Boller and M. Lončar, 21 April 2026, Nature Communications.

DOI: 10.1038/s41467-026-68524-y Funding: Department of the Air Force grant No. FA9453-23-C-A039; Office of Naval Research grant No.

N00014-22-C-1041/VAS-21-0001; NASA grant No. 80NSSC22K0262 and 80NSSC23PB442; and National Science Foundation grants ERC EEC-1941583 and OMA-2137723.