Kvanttitietokoneiden, datakeskusten ja valtameret kattavien tai kaupunkien katujen alla kulkevien huomaamattomien kaapeleiden välissä optinen kuitu mahdollistaa välittömän ja syvällisen yhteyden.
Yhteydet perustavanlaatuisimpien teknologioidemme välillä perustuvat laitteeseen, joka muuntaa signaaleja sähkön ja valoaaltojen välillä suurilla nopeuksilla: elektrooptiseen modulaattoriin.
Lithiumniobaatista (LN) valmistetut sähköoptiset modulaattorit ovat yleisimpiä, koska LN:llä on jo pitkään tunnettu kyky muuntaa tehokkaasti sähköisen ja optisen alueen välillä. LN:ää on kuitenkin edelleen vaikea valmistaa sirutasolla mikrovalmistusprosesseilla, mikä on jättänyt elektrooptiset modulaattorit tilaa vieviin, erillisiin ja kalliisiin muotoihin, jotka eivät voi skaalautua, integroitua CMOS-elektroniikkaan tai saavuttaa tiettyjä suorituskykymittareita. Muihin materiaaleihin perustuvat fotoniikka-alustat mahdollistavat integraation sirulle, mutta niihin liittyy suorituskykyyn liittyviä kompromisseja, jotka johtuvat epäideaalisista materiaaliominaisuuksista.
Viestintätarpeiden kehittyessä on tarpeen luoda pienempiä ja helppokäyttöisempiä modulaattoreita, joilla voidaan demokratisoida LN:n teho niin, ettei se ole vain suurten televiestintälaitteistojen teknologia.
HyperLight on tehnyt juuri näin.
Mian Zhangin, Cheng Wangin ja Marko Loncarin tiimi on luonut integroituja, sirutasoisia LN-modulaattoreita. Se on valtava läpimurto valtavan pienessä mittakaavassa. Kolmikko löysi Harvardin yliopiston Nanoscale Optics -laboratoriossa tekemällään työllä menetelmän, jolla voidaan valmistaa ohuita LN-kalvomodulaattoreita, joiden signaalihäviö on erittäin pieni. Kyseessä on perustavanlaatuinen teknologia, jonka avulla tulevaisuuden tietoliikenneverkot voivat toimia nopeammin ja pienemmällä teholla kaikkialla.
”Kuvittele”, aloittaa Zhang, ”että merenpohjaa pitkin kulkevat pitkän matkan optiset kuitukaapelit ovat tietoliikenneväyliä. Suuri kapasiteetti. Suuri nopeus. Kuvittele nyt, jos tekisimme kaikista tietokeskusten, teollisuuden, toimistojen ja kotien välisistä yhteyksistä yhtä suorituskykyisiä. Se olisi kuin tekisi kaikista sivuteistä moottoriteitä. Kapasiteetti ja nopeus kasvaisivat eksponentiaalisesti. Voisimme saada kaiken, ja enemmänkin, nopeammin ja samalla kuluttaa huomattavasti vähemmän energiaa.”
LN:n manipulointi nanotasolla ei ole helppoa. Litiumniobaattikiteiden ylivoimaiset ominaisuudet tunnetaan hyvin fotoniikkateollisuudessa, mutta materiaalin syövyttäminen siinä mittakaavassa, jota tarvitaan pienitehoisissa, sirun kokoisissa sovelluksissa, on askarruttanut fysiikan ja materiaalitutkijoiden sukupolvea. LN:llä on taipumus tarttua itseensä ja valmistusalustaan. Se on riskialtis materiaaliongelma, kuten Zhang toteaa. Epäonnistuminen on todennäköistä.
Zhangille mahdollisuus rakentaa jotakin – luoda uutta ja todellista teknologiaa alhaalta ylöspäin – toi hänet fysiikan laitoksen laboratorioista tohtorintutkintolaboratorioon, jossa kokeiltiin piifotoniikkaa, ja Harvardin soveltavan fysiikan väitöskirjan jälkeiseen tutkimukseen.
Harvardissa hän liittyi Marko Loncarin laboratorioon, joka oli tunnettu työstään timantin kaltaisten vaikeasti valmistettavien optisten materiaalien parissa. Loncarin laboratoriossa Zhang tutustui Cheng Wangiin, tohtoriopiskelijaan, joka oli juuri valmistanut menestyksekkäästi LN-nanoaaltojohtimia, jotka osoittivat LN:n ylivoimaisen tehokkuuden mahdollisuudet. Näiden nanoaaltojohteiden tuotanto osoitti myös laboratorion kyvyn valmistaa vielä tehokkaampia ja suorituskykyisempiä rakenteita.
Zhang, Wang ja Loncar asettivat tavoitteekseen pienentää näiden aaltojohtimien häviökerrointa kymmenkertaiseksi – 50 % valon häviöstä senttimetriä kohti häviöön 10 cm:n matkalla. Jos tavoite saavutettaisiin, se mullistaisi koko fotoniikan. Kokeelliset tulokset hämmästyttivät jopa tutkimusryhmää – he pienensivät häviökerrointa 100-kertaiseksi. He loivat aaltojohtimen, jossa valo saattoi edetä häviöttömästi yli metrin matkalla. He käyttivät näitä vähähäviöisiä aaltojohtimia tehdäkseen tehokkaimman sähköoptisen modulaattorin, jota esiteltiin Nature-lehdessä julkaistussa artikkelissa.
Ryhmä tajusi sitten, että heidän erittäin pienihäviöisillä siruillaan valmistetut integroidut optiset modulaattorilaitteet voisivat vastata markkinoiden kasvavaan kysyntään ultrasuorituskykyisistä, mutta kustannustehokkaista optisista ratkaisuista. HyperLight oli syntynyt.
Kun Charles Kao, Nobel-palkittu ja optisen kuituviestinnän uranuurtaja, teki merkittävimmät läpimurtonsa 1960- ja 1970-luvuilla, hän ei voinut ennustaa, miten kaikkialla läsnä oleva laajakaista tulisi muokkaamaan nykypäivän yhteiskuntaa ja maailmantaloutta. Pienihäviöinen optinen kuitu muutti tapaa, jolla maailma on yhteydessä toisiinsa. Zhang, Loncar ja Wang näkivät tämän perustavanlaatuisen teknologian parannettavana ja kehitettävänä, jotta se vastaisi seuraavan puolen vuosisadan vaatimuksia. He ovat suunnitelleet tämän parannuksen. Heidän erittäin pienihäviöiset sirunsa ja tekniikat litiumniobaatin todellisen potentiaalin hyödyntämiseksi auttavat meitä hyödyntämään huomisen dataa ja sen yhteyksiä ennennäkemättömän nopeasti ja tehokkaasti.