Dai confini di un computer quantistico, ai centri dati, ai cavi anonimi che attraversano i nostri oceani o infilati sotto le strade delle nostre città, la fibra ottica permette una connettività immediata e profonda.

Le connessioni tra le nostre tecnologie più fondamentali si basano su un dispositivo per convertire i segnali tra elettricità e onde luminose ad alta velocità: il modulatore elettro-ottico.

I modulatori elettro-ottici realizzati con niobato di litio (LN) sono i più comuni grazie alla nota capacità dell’LN di convertire in modo efficiente i domini elettrici e ottici. Tuttavia, LN è rimasto difficile da fabbricare su scala di chip utilizzando processi di microfabbricazione, che ha lasciato modulatori elettro-ottici in ingombranti, discreti, forme costose che non possono scala, integrare con elettronica CMOS, o raggiungere determinate metriche di prestazioni. Le piattaforme fotoniche basate su altri materiali forniscono un’integrazione on-chip, ma hanno dei compromessi sulle prestazioni a causa delle proprietà non ideali dei materiali.

Come le esigenze di comunicazione continuano ad evolversi, così anche la necessità di creare modulatori più piccoli e accessibili che possano democratizzare il potere della LN in modo che non sia solo la tecnologia delle grandi installazioni di telecomunicazioni.

HyperLight ha fatto proprio questo.

Il team di Mian Zhang, Cheng Wang e Marko Loncar ha creato modulatori LN integrati su scala di chip. Si tratta di un immenso passo avanti su una scala immensamente piccola. Attraverso il lavoro del Laboratory for Nanoscale Optics dell’Università di Harvard, il trio ha scoperto un metodo per fabbricare modulatori di film LN sottili con una perdita di segnale estremamente bassa. Si tratta di una tecnologia fondamentale, che consentirà alle future reti di comunicazione di operare a velocità più elevate e a bassa potenza, ovunque.

“Immaginate”, esordisce Zhang, “che i cavi in fibra ottica a lunga distanza che corrono lungo il fondo dell’oceano siano interstatali di comunicazione. Alta capacità. Alta velocità. Ora immaginate se rendessimo tutte le connessioni tra data center, industrie, uffici e case ugualmente capaci. Sarebbe come trasformare tutte le nostre strade secondarie in autostrade. Capacità e velocità esponenzialmente maggiori. Potremmo avere tutto, e averne di più, più velocemente consumando molta meno energia”.

Manipolare il LN su scala nanometrica non è facile. Le qualità superiori dei cristalli di niobato di litio sono ben note nell’industria fotonica, ma l’incisione del materiale alla scala necessaria per le applicazioni a bassa potenza e in formato chip ha tormentato una generazione di fisici e scienziati dei materiali. LN ha la tendenza ad attaccarsi a se stesso e al substrato di produzione. È un problema di materiale ad alto rischio, come nota Zhang. Il fallimento è probabile.

Per Zhang, la prospettiva di costruire qualcosa – di creare una tecnologia nuova e reale, dal basso verso l’alto – lo ha portato dai laboratori di un dipartimento di fisica universitario, a un laboratorio di dottorato che sperimentava la fotonica del silicio, e alla sua ricerca post-dottorato in fisica applicata ad Harvard.

È stato ad Harvard che si è unito al laboratorio di Marko Loncar, un professore rinomato per il suo lavoro con materiali ottici difficili da fabbricare come il diamante. Nel laboratorio di Loncar, Zhang è stato presentato a Cheng Wang, uno studente di dottorato che aveva appena prodotto con successo delle nanoguide di LN che hanno dimostrato il potenziale della superiore efficienza di LN. La produzione di queste nanoguide ha anche dimostrato la capacità del laboratorio di produrre strutture con efficienza e prestazioni ancora maggiori.

Zhang, Wang e Loncar si sono proposti di ridurre il fattore di perdita di queste guide d’onda di un fattore 10: da perdere il 50% della luce per centimetro di propagazione, a perdere la stessa quantità su 10 cm. Era un obiettivo che, se raggiunto, avrebbe sconvolto l’intero panorama della fotonica. I risultati sperimentali hanno stupito anche il team: hanno ridotto il fattore di perdita di un fattore 100. Hanno prodotto una guida d’onda in cui la luce poteva propagarsi con una perdita trascurabile per oltre un metro. Hanno usato queste guide d’onda a bassa perdita per realizzare il modulatore elettro-ottico più performante, presentato in un articolo sulla rivista Nature.

Il team si è poi reso conto che i dispositivi modulatori ottici integrati realizzati con i loro chip a bassissima perdita potevano soddisfare la crescente domanda del mercato per soluzioni ottiche ad altissime prestazioni, ma convenienti. Era nata HyperLight.

Quando Charles Kao, il premio Nobel e pioniere della comunicazione in fibra ottica, fece le sue scoperte più significative negli anni ’60 e ’70, non avrebbe potuto prevedere come la banda larga onnipresente avrebbe plasmato la società e l’economia globale di oggi. La fibra ottica a bassa perdita ha cambiato il modo in cui il mondo si connette. Zhang, Loncar e Wang hanno visto questa tecnologia fondamentale come qualcosa da migliorare, qualcosa da evolvere per soddisfare le esigenze del prossimo mezzo secolo. Hanno progettato quel miglioramento. I loro chip a bassissima perdita, e le tecniche per sfruttare il vero potenziale del niobato di litio, ci aiuteranno a sfruttare i dati di domani, e le sue connessioni, con livelli di velocità ed efficienza senza precedenti.