Von den Grenzen eines Quantencomputers über Datenzentren bis hin zu unscheinbaren Kabeln, die unsere Ozeane überspannen oder unter den Straßen unserer Städte verlegt sind, ermöglichen Glasfasern eine sofortige und tiefgreifende Konnektivität.

Die Verbindungen zwischen unseren grundlegendsten Technologien beruhen auf einem Gerät, das Signale zwischen Elektrizität und Lichtwellen mit hoher Geschwindigkeit umwandelt: dem elektro-optischen Modulator.

Elektro-optische Modulatoren aus Lithiumniobat (LN) sind am weitesten verbreitet, da LN seit langem für seine Fähigkeit bekannt ist, effizient zwischen elektrischen und optischen Domänen zu wechseln. Die Herstellung von LN auf der Chip-Skala mit Hilfe von Mikrofabrikationsverfahren ist jedoch nach wie vor schwierig, so dass elektrooptische Modulatoren in sperrigen, diskreten und teuren Formen vorliegen, die nicht skalierbar sind, sich nicht in CMOS-Elektronik integrieren lassen und bestimmte Leistungskennzahlen nicht erreichen. Photonik-Plattformen, die auf anderen Materialien basieren, bieten zwar eine On-Chip-Integration, sind aber aufgrund nicht idealer Materialeigenschaften mit Leistungseinbußen verbunden.

Da sich die Anforderungen an die Kommunikation weiter entwickeln, besteht auch die Notwendigkeit, kleinere, leichter zugängliche Modulatoren zu entwickeln, die die Leistung von LN demokratisieren können, so dass es nicht nur eine Technologie für große Telekommunikationsanlagen ist.

HyperLight hat genau das getan.

Das Team von Mian Zhang, Cheng Wang und Marko Loncar hat integrierte LN-Modulatoren in Chipgröße entwickelt. Das ist ein immenser Durchbruch in einem sehr kleinen Maßstab. Im Rahmen ihrer Arbeit am Laboratory for Nanoscale Optics der Harvard University entdeckte das Trio eine Methode zur Herstellung dünner LN-Filmmodulatoren mit extrem geringen Signalverlusten. Dies ist eine grundlegende Technologie, die es künftigen Kommunikationsnetzen ermöglichen wird, überall mit höheren Geschwindigkeiten und geringerem Stromverbrauch zu arbeiten.

„Stellen Sie sich vor“, beginnt Zhang, „dass die Langstrecken-Glasfaserkabel, die auf dem Meeresboden verlaufen, Kommunikationsverbindungen sind. Hohe Kapazität. Hohe Geschwindigkeit. Nun stellen Sie sich vor, wir würden alle Verbindungen zwischen Rechenzentren, Industrie, Büros und Haushalten gleich leistungsfähig machen. Das wäre so, als würden wir alle unsere Nebenstraßen in Autobahnen verwandeln. Exponentiell mehr Kapazität und Geschwindigkeit. Wir könnten alles, und noch mehr, schneller bekommen und dabei deutlich weniger Energie verbrauchen.

LN auf der Nanoskala zu manipulieren ist nicht einfach. Die überragenden Eigenschaften von Lithiumniobatkristallen sind in der Photonikindustrie wohlbekannt, aber das Ätzen des Materials in dem Maßstab, der für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und in Chipgröße erforderlich ist, hat eine Generation von Physikern und Materialwissenschaftlern vor Probleme gestellt. LN neigt dazu, an sich selbst und am Fertigungssubstrat zu haften. Wie Zhang anmerkt, ist dies ein hochriskantes Materialproblem. Ein Scheitern ist wahrscheinlich.

Die Aussicht, etwas zu bauen – eine neue und echte Technologie von Grund auf zu schaffen – brachte Zhang von den Labors eines Physikstudiums über ein Doktorandenlabor, in dem er mit Silizium-Photonik experimentierte, bis hin zu seiner Postdoc-Forschung in angewandter Physik in Harvard.

In Harvard kam er in das Labor von Marko Loncar, einem Professor, der für seine Arbeit mit schwer herstellbaren optischen Materialien wie Diamant bekannt ist. In Loncars Labor lernte Zhang Cheng Wang kennen, einen Doktoranden, der gerade erfolgreich LN-Nanowellenleiter hergestellt hatte, die das Potenzial der überlegenen Effizienz von LN bewiesen. Die Herstellung dieser Nanowellenleiter bewies auch die Fähigkeit des Labors, Strukturen mit noch höherer Effizienz und Leistung herzustellen.

Zhang, Wang und Loncar hatten sich zum Ziel gesetzt, den Verlustfaktor dieser Wellenleiter um den Faktor 10 zu verringern – von einem Verlust von 50 % des Lichts pro Zentimeter Ausbreitung auf einen Verlust in der gleichen Größenordnung über 10 cm. Sollte dieses Ziel erreicht werden, würde dies die gesamte Photoniklandschaft umkrempeln. Die experimentellen Ergebnisse verblüfften selbst das Team – sie reduzierten den Verlustfaktor um den Faktor 100. Sie stellten einen Wellenleiter her, in dem sich das Licht mit vernachlässigbarem Verlust über mehr als einen Meter ausbreiten konnte. Sie verwendeten diese verlustarmen Wellenleiter, um den leistungsstärksten elektrooptischen Modulator herzustellen, der in einem Artikel in der Zeitschrift Nature vorgestellt wurde.

Das Team erkannte dann, dass die integrierten optischen Modulatoren, die mit ihren verlustarmen Chips hergestellt wurden, die wachsende Marktnachfrage nach ultrahochleistungsfähigen und dennoch kostengünstigen optischen Lösungen erfüllen könnten. HyperLight war geboren.

Als Charles Kao, der Nobelpreisträger und Pionier der Glasfaserkommunikation, in den 60er und 70er Jahren seine bedeutendsten Durchbrüche erzielte, konnte er nicht ahnen, wie sehr das allgegenwärtige Breitband die heutige Gesellschaft und Weltwirtschaft prägen würde. Verlustarme Glasfasern haben die Art und Weise, wie die Welt miteinander verbunden ist, verändert. Zhang, Loncar und Wang sahen diese grundlegende Technologie als etwas, das verbessert werden musste, etwas, das weiterentwickelt werden musste, um den Anforderungen des nächsten halben Jahrhunderts gerecht zu werden. Sie haben diese Verbesserung entwickelt. Ihre Chips mit ultraniedrigen Verlusten und die Techniken zur Nutzung des wahren Potenzials von Lithiumniobat werden uns helfen, die Daten von morgen und ihre Verbindungen mit einem noch nie dagewesenen Maß an Geschwindigkeit und Effizienz zu nutzen.