Desde los confines de un ordenador cuántico, hasta los centros de datos, pasando por los anodinos cables que atraviesan nuestros océanos o se enhebran bajo las calles de nuestras ciudades, la fibra óptica permite una conectividad instantánea y profunda.
Las conexiones entre nuestras tecnologías más fundamentales se basan en un dispositivo que convierte las señales entre electricidad y ondas de luz a altas velocidades: el modulador electroóptico.
Los moduladores electroópticos fabricados con niobato de litio (LN) son los más comunes debido a la conocida capacidad del LN para convertir eficazmente entre los dominios eléctrico y óptico. Sin embargo, el LN ha seguido siendo difícil de fabricar a escala de chip mediante procesos de microfabricación, lo que ha dejado a los moduladores electroópticos en formas voluminosas, discretas y costosas que no pueden escalar, integrarse con la electrónica CMOS o alcanzar ciertas métricas de rendimiento. Las plataformas fotónicas basadas en otros materiales permiten la integración en el chip, pero conllevan una serie de contrapartidas en cuanto al rendimiento debido a las propiedades no ideales de los materiales.
A medida que la demanda de comunicaciones sigue evolucionando, también lo hace la necesidad de crear moduladores más pequeños y accesibles que puedan democratizar la potencia de la LN para que no sea una tecnología exclusiva de las grandes instalaciones de telecomunicaciones.
HyperLight ha hecho precisamente eso.
El equipo de Mian Zhang, Cheng Wang y Marko Loncar ha creado moduladores de LN integrados a escala de chip. Se trata de un inmenso avance a una escala inmensamente pequeña. Gracias al trabajo realizado en el Laboratorio de Óptica a Nanoescala de la Universidad de Harvard, el trío descubrió un método para fabricar moduladores de película fina de LN con una pérdida de señal extremadamente baja. Se trata de una tecnología fundamental que permitirá que las futuras redes de comunicación funcionen a mayor velocidad y menor potencia en cualquier lugar.
«Imagínese», comienza diciendo Zhang, «que los cables de fibra óptica de larga distancia que discurren por el fondo del océano son interestatales de comunicación. Alta capacidad. Alta velocidad. Ahora imagine que hacemos que todas las conexiones entre los centros de datos, las industrias, las oficinas y los hogares tengan la misma capacidad. Sería como convertir todas nuestras carreteras secundarias en autopistas. Exponencialmente más capacidad y velocidad. Podríamos conseguir todo, y conseguir más, más rápido mientras consumimos significativamente menos energía.»
Manipular el LN a nanoescala no es fácil. Las cualidades superiores de los cristales de niobato de litio son bien conocidas en el sector de la fotónica, pero grabar el material a la escala necesaria para las aplicaciones de baja potencia y del tamaño de un chip ha sido un problema para una generación de físicos y científicos de materiales. La LN tiende a pegarse a sí misma y al sustrato de fabricación. Es un material de alto riesgo, como señala Zhang. El fracaso es probable.
Para Zhang, la perspectiva de construir algo -crear una tecnología nueva y real, desde la base- lo llevó desde los laboratorios de un departamento de física de pregrado, a un laboratorio de doctorado que experimentaba con la fotónica del silicio, y a su investigación posdoctoral en física aplicada en Harvard.
Fue en Harvard donde se unió al laboratorio de Marko Loncar, un profesor famoso por su trabajo con materiales ópticos difíciles de fabricar, como el diamante. En el laboratorio de Loncar, Zhang conoció a Cheng Wang, un estudiante de doctorado que acababa de producir con éxito nanoguías de LN que demostraban el potencial de la eficacia superior de la LN. La producción de estas nanoguías también demostró la capacidad del laboratorio para fabricar estructuras con una eficiencia y un rendimiento aún mayores.
Zhang, Wang y Loncar se propusieron reducir el factor de pérdida de estas guías de onda en un factor de 10: de perder el 50% de la luz por centímetro de propagación, a perder la misma cantidad en 10 cm. Un objetivo que, de cumplirse, cambiaría todo el panorama de la fotónica. Los resultados experimentales asombraron incluso al equipo: redujeron el factor de pérdida en un factor de 100. Produjeron una guía de ondas en la que la luz podía propagarse con una pérdida insignificante durante más de un metro. Utilizaron estas guías de onda de baja pérdida para fabricar el modulador electroóptico de mayor rendimiento, que se presenta en un artículo de la revista Nature.
El equipo se dio cuenta entonces de que los dispositivos moduladores ópticos integrados fabricados con sus chips de pérdidas ultrabajas podrían satisfacer la creciente demanda del mercado de soluciones ópticas de altísimo rendimiento, pero rentables. Así nació HyperLight.
Cuando Charles Kao, premio Nobel y pionero de la comunicación por fibra óptica, realizó sus avances más significativos en las décadas de 1960 y 1970, no podía predecir cómo la banda ancha omnipresente daría forma a la sociedad y la economía mundial actuales. La fibra óptica de bajas pérdidas cambió la forma en que el mundo se conecta. Zhang, Loncar y Wang vieron esta tecnología fundacional como algo que debía mejorarse, algo que debía evolucionar para satisfacer las demandas del próximo medio siglo. Ellos han diseñado esa mejora. Sus chips de pérdidas ultrabajas y las técnicas para aprovechar el verdadero potencial del niobato de litio nos ayudarán a explotar los datos del mañana, y sus conexiones, con niveles de velocidad y eficacia sin precedentes.