Optická vlákna umožňují okamžité a hluboké propojení, ať už se jedná o kvantový počítač, datová centra nebo nenápadné kabely, které se táhnou přes oceány nebo jsou vedeny pod ulicemi našich měst.
Propojení mezi našimi nejzákladnějšími technologiemi závisí na zařízení, které převádí signály mezi elektřinou a světelnými vlnami vysokou rychlostí: elektrooptickém modulátoru.
Elektrooptické modulátory vyrobené z niobátu lithia (LN) jsou nejrozšířenější díky dlouho známé schopnosti LN účinně převádět mezi elektrickou a optickou oblastí. LN se však stále obtížně vyrábí v měřítku čipu pomocí mikrofabrikačních procesů, což ponechává elektrooptické modulátory v objemných, diskrétních a drahých formách, které nelze škálovat, integrovat s elektronikou CMOS nebo dosahovat určitých výkonnostních parametrů. Fotonické platformy založené na jiných materiálech sice umožňují integraci na čipu, ale jsou spojeny s kompromisy ve výkonu kvůli neideálním vlastnostem materiálů.
S tím, jak se vyvíjejí požadavky na komunikaci, roste i potřeba vytvořit menší a dostupnější modulátory, které mohou demokratizovat výkon LN tak, aby se nejednalo pouze o technologii velkých telekomunikačních zařízení.
HyperLight právě toto udělala.
Tým ve složení Mian Zhang, Cheng Wang a Marko Loncar vytvořil integrované LN modulátory v čipovém měřítku. Jde o obrovský průlom v nesmírně malém měřítku. Díky práci v Laboratoři pro optiku v nanorozměrech na Harvardově univerzitě objevila tato trojice metodu výroby modulátorů z tenké vrstvy LN s extrémně nízkými ztrátami signálu. Jedná se o základní technologii, která umožní budoucím komunikačním sítím pracovat s vyššími rychlostmi a nižší spotřebou, a to všude.
„Představte si,“ začíná Zhang, „že dálkové optické kabely, které vedou po dně oceánů, jsou komunikačními mezistanicemi. Vysokou kapacitu. Vysoká rychlost. A teď si představte, že bychom všechna spojení mezi datovými centry, průmyslovými podniky, kancelářemi a domácnostmi udělali stejně výkonná. Bylo by to jako proměnit všechny naše vedlejší silnice v dálnice. Exponenciálně vyšší kapacita a rychlost. Mohli bychom se dostat ke všemu a ještě rychleji a přitom spotřebovat podstatně méně energie.“
Manipulace s LN v nanoměřítku není snadná. Vynikající vlastnosti krystalů niobanu lithného jsou ve fotonickém průmyslu dobře známé, ale leptání materiálu v měřítku potřebném pro aplikace s nízkou spotřebou a velikostí čipu trápí celou generaci fyziků a materiálových vědců. LN má tendenci ulpívat na sobě a na výrobním substrátu. Jak poznamenává Zhang, jedná se o vysoce rizikový materiál. Selhání je pravděpodobné.
Pro Zhanga byla vyhlídka na to, že něco vybuduje – vytvoří novou a skutečnou technologii zdola nahoru – přivedla ho z laboratoří vysokoškolské katedry fyziky do doktorandské laboratoře experimentující s křemíkovou fotonikou a k postdoktorskému výzkumu v oblasti aplikované fyziky na Harvardu.
Na Harvardu se připojil k laboratoři Marka Loncara, profesora proslulého prací s obtížně vyrobitelnými optickými materiály, jako je diamant. V Loncarově laboratoři se Zhang seznámil s Chengem Wangem, studentem doktorského studia, který právě úspěšně vyrobil LN nanovodiče, jež prokázaly potenciál vynikající účinnosti LN. Výroba těchto nanovodičů také prokázala schopnost laboratoře vyrábět struktury s ještě vyšší účinností a výkonem.
Zhang, Wang a Loncar se rozhodli snížit ztrátový činitel těchto vlnovodů desetinásobně – ze ztráty 50 % světla na centimetr šíření na ztrátu stejného množství na 10 cm. Pokud by byl tento cíl splněn, změnilo by to celou fotoniku. Experimentální výsledky ohromily i samotný tým – snížili ztrátový faktor 100krát. Vytvořili vlnovod, ve kterém se světlo mohlo šířit se zanedbatelnými ztrátami po dobu více než jednoho metru. Tyto vlnovody s nízkými ztrátami použili k výrobě nejvýkonnějšího elektrooptického modulátoru, který byl představen v článku v časopise Nature.
Tým si poté uvědomil, že integrovaná zařízení optických modulátorů vyrobená pomocí jejich čipů s ultranízkými ztrátami by mohla uspokojit rostoucí poptávku trhu po ultravýkonných a zároveň cenově výhodných optických řešeních. Zrodila se společnost HyperLight.
Když Charles Kao, nositel Nobelovy ceny a průkopník optické vláknové komunikace, učinil v 60. a 70. letech 20. století své nejvýznamnější objevy, nemohl tušit, jak všudypřítomné širokopásmové připojení bude formovat dnešní společnost a globální ekonomiku. Optická vlákna s nízkými ztrátami změnila způsob, jakým se svět spojuje. Zhang, Loncar a Wang viděli tuto základní technologii jako něco, co je třeba zdokonalit, něco, co je třeba vyvinout, aby splňovalo požadavky příštího půlstoletí. Toto vylepšení navrhli. Jejich čipy s ultranízkými ztrátami a techniky pro využití skutečného potenciálu niobátu lithia nám pomohou využívat data zítřka a jejich spojení s nebývalou rychlostí a efektivitou.