量子コンピュータからデータセンター、海を渡るケーブルや街の地下を通る何でもないケーブルまで、光ファイバーは瞬時に深い接続を可能にします。

最も基本的なテクノロジー間の接続は、電気と光波の間で信号を高速に変換するデバイス、電気光学変調器に依存しています。

ニオブ酸リチウム (LN) を用いた電気光学変調器は、電気と光の領域を効率的に変換する能力が古くから知られているため、最も一般的なものである。 しかし、LNは微細加工プロセスを用いてチップスケールで製造することが困難なため、電気光学変調器はかさばり、個別で高価な形態となり、スケールアップやCMOSエレクトロニクスとの統合、特定の性能指標の達成は不可能でした。

通信の需要が進化し続けるにつれ、LN のパワーを一般化し、主要な電気通信設備だけの技術ではなく、より小型でアクセスしやすい変調器を作成する必要性も高まっています。

Mian Zhang、Cheng Wang、および Marko Loncar のチームは、統合されたチップ規模の LN モジュレータを作成しました。 これは、非常に小さなスケールでの巨大なブレークスルーです。 ハーバード大学のナノスケール光学研究所での研究を通じて、3人は信号損失が極めて少ない薄いLN膜変調器を作製する方法を発見した。 これは、将来の通信ネットワークの高速化、低電力化を実現するための基盤技術である。

「海底を走る長距離光ファイバーケーブルが通信のインターステートであると想像してみてください」と、Zhang氏は話し始めた。 大容量。 高速。 では、データセンター、産業界、オフィス、家庭の間の接続をすべて同じ性能にしたらと想像してみてください。 裏道をすべて高速道路にするようなものです。 容量も速度も指数関数的に増大します。 エネルギー消費を大幅に抑えながら、あらゆるものをより速く、より多く手に入れることができるのです。

LNをナノスケールで操作するのは簡単ではありません。 ニオブ酸リチウム結晶の優れた品質は、フォトニクス業界ではよく知られているが、低電力、チップサイズのアプリケーションに必要なスケールで材料をエッチングすることは、物理学者や材料科学者の世代を悩ませてきた。 LNは、それ自身と製造基板に付着する性質がある。 これは、Zhangが指摘するように、リスクの高い材料問題である。 失敗する可能性が高い。

Zhang氏にとって、ボトムアップで新しい本物の技術を作り上げるという見通しは、学部物理学科の研究室から、シリコンフォトニクスを実験する博士課程の研究室、そしてハーバード大学の応用物理学の博士研究へと彼を導いていったのです。

ハーバードでは、ダイヤモンドのような加工が難しい光学材料の研究で有名なマルコ・ロンカー教授の研究室に入りました。 Loncar教授の研究室では、博士課程の学生Cheng Wangが、LNの優れた効率の可能性を証明するLNナノ導波路の作製に成功したばかりであったため、ZhangはCheng Wangに紹介された。 このナノ導波路の製造は、研究室がさらに優れた効率と性能を持つ構造を製造する能力を持つことも証明した。

Zhang、Wang、および Loncar は、これらの導波路の損失係数を、1cm の伝搬で 50%の光を失うところから 10cm で同量を失うところまで、10 倍にすることに着手した。 これは、フォトニクスを根底から覆すような目標であった。 実験結果は、チームも驚くもので、損失係数を100分の1にまで下げることができた。 なんと、1メートル以上にわたって、光がほとんど損失なく伝播する導波路が完成したのだ。 この低損失導波路を使って、最高性能の電気光学変調器を作り、『Nature』誌に発表した。

その後、研究チームは、超低損失チップを使用した集積型光変調器デバイスが、超高性能でありながらコスト効果の高い光ソリューションに対する市場の高まる要求に応えることができることに気づきました。 ハイパーライトが誕生したのです。

ノーベル賞受賞者で光ファイバー通信のパイオニアであるチャールズ・カオが、1960年代と1970年代に最も重要なブレークスルーを行ったとき、ユビキタス ブロードバンドが今日の社会と世界経済を形成することを予測することはできなかったでしょう。 低損失の光ファイバーは、世界がつながる方法を変えたのです。 Zhang、Loncar、Wangの3人は、この基礎となる技術を、次の半世紀の需要に対応するために改善すべきもの、進化させるべきものであると考えたのです。 そして、その改良を実現したのだ。 彼らの超低損失チップと、ニオブ酸リチウムの真の可能性を引き出す技術は、明日のデータとその接続を、かつてないほどの速度と効率で活用するのに役立つだろう。