Fra kvantecomputere til datacentre og ubeskrivelige kabler, der spænder over vores oceaner eller går under byens gader, giver optiske fibre mulighed for øjeblikkelig og dybtgående tilslutning.
Forbindelserne mellem vores mest grundlæggende teknologier er afhængige af en anordning til at konvertere signaler mellem elektricitet og lysbølger ved høje hastigheder: den elektrooptiske modulator.
Elektrooptiske modulatorer fremstillet med lithiumniobat (LN) er de mest almindelige på grund af LN’s længe kendte evne til effektivt at konvertere mellem elektriske og optiske domæner. LN har imidlertid fortsat været vanskeligt at fremstille på chipskala ved hjælp af mikrofabrikationsprocesser, hvilket har efterladt elektrooptiske modulatorer i voluminøse, diskrete og dyre former, som ikke kan skaleres, integreres med CMOS-elektronik eller opnå visse præstationsmålinger. Fotonikplatforme baseret på andre materialer giver mulighed for integration på chippen, men er forbundet med kompromiser med hensyn til ydeevne på grund af ikke-ideelle materialeegenskaber.
Da kravene til kommunikation fortsat udvikler sig, er der også behov for at skabe mindre, mere tilgængelige modulatorer, der kan demokratisere kraften i LN, så det ikke kun er en teknologi for store telekommunikationsanlæg.
HyperLight har gjort netop dette.
Teamet bestående af Mian Zhang, Cheng Wang og Marko Loncar har skabt integrerede LN-modulatorer i chipskala. Det er et enormt gennembrud i en uhyre lille skala. Gennem arbejde fra Laboratory for Nanoscale Optics på Harvard University har trioen opdaget en metode til at fremstille tynde LN-filmmodulatorer med ekstremt lavt signaltab. Der er tale om en grundlæggende teknologi, som vil gøre det muligt for fremtidige kommunikationsnetværk at fungere med højere hastigheder og lavere effekt overalt.
“Forestil dig,” begynder Zhang, “at de optiske fiberkabler over lange afstande, der løber langs havbunden, er kommunikationsforbindelser. Høj kapacitet. Høj hastighed. Forestil dig nu, at vi gjorde alle forbindelser mellem datacentre, industrier, kontorer og hjem lige så effektive. Det ville være som at gøre alle vores småveje til motorveje. Eksponentielt større kapacitet og hastighed. Vi kunne få alting, og få mere af det, hurtigere og samtidig bruge betydeligt mindre energi.”
Det er ikke let at manipulere LN på nanoskalaen. De overlegne kvaliteter af lithiumniobatkrystaller er velkendte i fotonikindustrien, men ætsning af materialet i den skala, der er nødvendig for applikationer med lav effekt og chipstørrelse, har plaget en generation af fysikere og materialeforskere. LN har en tendens til at klæbe til sig selv og til fremstillingssubstratet. Det er et materialeproblem med høj risiko, som Zhang bemærker. Fejl er sandsynlige.
For Zhang bragte udsigten til at bygge noget – at skabe ny og reel teknologi fra bunden opad – ham fra laboratorierne på en fysikafdeling for studerende til et ph.d.-laboratorium, hvor han eksperimenterede med siliciumfotonik, og hans postdoc-forskning i anvendt fysik på Harvard.
Det var på Harvard, at han blev ansat i laboratoriet hos Marko Loncar, en professor, der var kendt for sit arbejde med vanskeligt fremstillbare optiske materialer som diamant. I Loncars laboratorium blev Zhang introduceret til Cheng Wang, en ph.d.-studerende, som netop havde haft succes med at fremstille LN-nanovaveguider, der beviste potentialet i LN’s overlegne effektivitet. Produktionen af disse nanovaveguider viste også, at laboratoriet var i stand til at fremstille strukturer med endnu større effektivitet og ydeevne.
Zhang, Wang og Loncar satte sig for at reducere tabsfaktoren i disse bølgeledere med en faktor 10 – fra at miste 50 % af lyset pr. centimeter udbredelse til at miste det samme beløb over 10 cm. Det var et mål, der, hvis det blev nået, ville ændre hele det fotoniske landskab. De eksperimentelle resultater forbløffede selv holdet – de reducerede tabsfaktoren med en faktor 100. De fremstillede en bølgeledning, hvor lyset kunne sprede sig med et ubetydeligt tab i over en meter. De brugte disse bølgeledere med lavt tab til at fremstille den mest effektive elektrooptiske modulator, som blev præsenteret i en artikel i tidsskriftet Nature.
Derpå indså holdet, at de integrerede optiske modulatorenheder, der blev fremstillet ved hjælp af deres chips med ultralavt tab, kunne imødekomme den voksende efterspørgsel på markedet efter ultrahøjtydende, men alligevel omkostningseffektive optiske løsninger. HyperLight var født.
Da Charles Kao, nobelpristager og pioner inden for optisk fiberkommunikation, gjorde sine mest betydningsfulde gennembrud i 1960’erne og 1970’erne, kunne han ikke have forudsagt, hvordan det allestedsnærværende bredbånd ville forme dagens samfund og globale økonomi. Optiske fibre med lavt tab ændrede den måde, verden forbindes på. Zhang, Loncar og Wang så denne grundlæggende teknologi som noget, der skulle forbedres, noget, der skulle udvikles for at imødekomme kravene i det næste halve århundrede. De har udviklet denne forbedring. Deres chips med ultralavt tab og teknikkerne til at udnytte det sande potentiale i lithiumniobat vil hjælpe os med at udnytte morgendagens data og forbindelser med hidtil uset hastighed og effektivitet.