A kvantumszámítógépektől kezdve az adatközpontokon át az óceánokat átszelő vagy a városok utcái alatt húzódó, nem feltűnő kábelekig az optikai szálak azonnali és mélyreható összeköttetést tesznek lehetővé.
A legalapvetőbb technológiáink közötti kapcsolatok egy olyan eszközre támaszkodnak, amely nagy sebességgel alakítja át a jeleket az elektromosság és a fényhullámok között: az elektro-optikai modulátorra.
A lítium-niobátból (LN) készült elektro-optikai modulátorok a legelterjedtebbek, mivel az LN régóta ismert képessége az elektromos és optikai tartományok közötti hatékony átalakításra. Az LN azonban továbbra is nehezen gyártható a chip-skálán mikrogyártási eljárásokkal, ami miatt az elektro-optikai modulátorok terjedelmes, diszkrét, drága formában maradtak, amelyek nem skálázhatók, nem integrálhatók a CMOS elektronikával, és nem érhetnek el bizonyos teljesítménymutatókat. A más anyagokon alapuló fotonikai platformok ugyan lehetővé teszik a chip-integrációt, de a nem ideális anyagtulajdonságok miatt teljesítménybeli kompromisszumokkal járnak.
A kommunikációs igények folyamatos fejlődésével együtt jár az igény olyan kisebb, könnyebben hozzáférhető modulátorok létrehozására, amelyek demokratizálják az LN teljesítményét, hogy az ne csak a nagy távközlési létesítmények technológiája legyen.
A HyperLight pontosan ezt tette.
A Mian Zhang, Cheng Wang és Marko Loncar alkotta csapat integrált, chip méretű LN-modulátorokat hozott létre. Ez egy óriási áttörés mérhetetlenül kis méretben. A Harvard Egyetem Nanoméretű Optikai Laboratóriumának munkája révén a trió felfedezett egy olyan módszert, amellyel rendkívül alacsony jelveszteségű, vékony LN-film modulátorokat lehet gyártani. Ez egy olyan alapvető technológia, amely lehetővé teszi, hogy a jövőben a kommunikációs hálózatok mindenhol nagyobb sebességgel és alacsonyabb fogyasztással működjenek.
“Képzeljük el – kezdi Zhang -, hogy az óceánfenéken futó nagy távolságú optikai kábeleket kommunikációs interstátuszokként használják. Nagy kapacitásúak. Nagy sebesség. Most képzeljük el, ha az adatközpontok, az iparágak, az irodák és az otthonok közötti összes kapcsolatot egyformán képessé tennénk. Ez olyan lenne, mintha az összes mellékutunkat autópályává alakítanánk. Exponenciálisan nagyobb kapacitás és sebesség. Mindent, és még többet kaphatnánk belőle, gyorsabban, miközben lényegesen kevesebb energiát fogyasztanánk.”
A nanoszintű LN manipulálása nem könnyű. A lítium-niobát kristályok kiváló tulajdonságai jól ismertek a fotonikai iparban, de az anyag maratása a kis teljesítményű, chipméretű alkalmazásokhoz szükséges méretben a fizikusok és anyagtudósok egy generációját bosszantotta. Az LN hajlamos magához és a gyártási hordozóhoz ragadni. Ez egy nagy kockázatú anyagprobléma, ahogy Zhang megjegyzi. A meghibásodás valószínű.
Zhang számára a kilátás, hogy építsen valamit – új és valódi technológiát hozzon létre alulról felfelé – vitte őt az egyetemi fizika tanszék laboratóriumaiból a szilícium-fotonikával kísérletező doktori laboratóriumba és a Harvardon végzett alkalmazott fizikai posztdoktori kutatásaiba.
A Harvardon csatlakozott Marko Loncar professzor laboratóriumához, aki a nehezen gyártható optikai anyagokkal, például a gyémánttal végzett munkájáról volt híres. Loncar laboratóriumában Zhang megismerkedett Cheng Wanggal, egy PhD-hallgatóval, aki éppen sikeresen állított elő LN nanohullámvezetőket, amelyek bizonyították az LN kiváló hatékonyságában rejlő lehetőségeket. Ezeknek a nanohullámvezetőknek az előállítása azt is bizonyította, hogy a laboratórium képes még nagyobb hatékonyságú és teljesítményű szerkezetek előállítására.
Zhang, Wang és Loncar azt tűzte ki célul, hogy ezeknek a hullámvezetőknek a veszteségtényezőjét 10-szeresére csökkenti – a fény 50%-ának elvesztéséről centiméterenkénti terjedésen belül ugyanennyi veszteségre 10 cm-en keresztül. Ez a cél, ha megvalósul, az egész fotonikai világot felforgatja. A kísérleti eredmények még a csapatot is meglepték – a veszteségtényezőt 100-szorosára csökkentették. Olyan hullámvezetőt hoztak létre, amelyben a fény több mint egy méteren keresztül elhanyagolható veszteséggel terjedhetett. Ezeket az alacsony veszteségű hullámvezetőket a legnagyobb teljesítményű elektro-optikai modulátor elkészítéséhez használták, amelyet a Nature folyóiratban megjelent cikkben mutattak be.
A csapat ezután rájött, hogy az általuk készített, rendkívül alacsony veszteségű chipek felhasználásával készült integrált optikai modulátoreszközök kielégíthetik az ultranagy teljesítményű, ugyanakkor költséghatékony optikai megoldások iránti növekvő piaci igényt. Megszületett a HyperLight.
Amikor Charles Kao, a Nobel-díjas, az optikai szálas kommunikáció úttörője az 1960-as és 1970-es években tette legjelentősebb áttöréseit, nem tudta volna megjósolni, hogy a mindenütt jelenlévő szélessávú internet hogyan fogja alakítani a mai társadalmat és a globális gazdaságot. Az alacsony veszteségű optikai szálak megváltoztatták a világ összekapcsolódásának módját. Zhang, Loncar és Wang úgy tekintett erre az alapvető technológiára, mint valamire, amit fejleszteni kell, amit a következő fél évszázad követelményeinek megfelelően tovább kell fejleszteni. Ezt a fejlesztést meg is valósították. Ultraalacsony veszteségű chipjeik és a lítium-niobátban rejlő valódi potenciál kiaknázására szolgáló technikák segítségével a holnap adatait és kapcsolatait soha nem látott sebességgel és hatékonysággal használhatjuk ki.