Van de grenzen van een quantumcomputer, tot datacentra, tot onopvallende kabels die onze oceanen doorkruisen of onder onze straten door lopen, optische vezels maken onmiddellijke en diepgaande connectiviteit mogelijk.

De verbindingen tussen onze meest fundamentele technologieën berusten op een apparaat om signalen tussen elektriciteit en lichtgolven met hoge snelheid om te zetten: de elektro-optische modulator.

Elektro-optische modulatoren gemaakt met lithiumniobaat (LN) zijn de meest voorkomende vanwege LN’s lang bekende vermogen om efficiënt om te zetten tussen elektrische en optische domeinen. LN is echter moeilijk te fabriceren op chipschaal met behulp van microfabricageprocessen, waardoor elektro-optische modulatoren zijn overgebleven in omvangrijke, discrete, dure vormen die niet kunnen worden opgeschaald, geïntegreerd met CMOS-elektronica, of bepaalde prestatiekenmerken kunnen halen. Fotonica platforms op basis van andere materialen wel on-chip integratie, maar komen met de prestaties trade-offs als gevolg van niet-ideale materiaaleigenschappen.

Als communicatie-eisen blijven evolueren, zo ook de noodzaak om kleinere, meer toegankelijke modulatoren die de kracht van LN kan democratiseren, zodat het niet alleen de technologie van grote telecommunicatie-installaties.

HyperLight heeft precies dat gedaan.

Het team van Mian Zhang, Cheng Wang, en Marko Loncar hebben geïntegreerde, chip-schaal LN modulatoren gemaakt. Het is een immense doorbraak op een immens kleine schaal. Door het werk van het Laboratory for Nanoscale Optics aan de Harvard University ontdekte het trio een methode om dunne LN-film modulatoren te fabriceren met extreem laag signaalverlies. Dit is een fundamentele technologie, een die toekomstige communicatienetwerken in staat zal stellen om overal met hogere snelheden en lager vermogen te werken.

“Stel je voor,” begint Zhang, “dat de lange-afstands optische vezelkabels die langs de oceaanbodem lopen communicatie-interstates zijn. Hoge capaciteit. Hoge snelheid. Stel je nu eens voor dat we alle verbindingen tussen datacentra, industrieën, kantoren en huizen even geschikt zouden maken. Het zou zijn alsof we al onze binnenwegen in snelwegen zouden veranderen. Exponentieel meer capaciteit en snelheid. We zouden alles, en meer ervan, sneller kunnen krijgen terwijl we aanzienlijk minder energie verbruiken.”

Het manipuleren van LN op nanoschaal is niet eenvoudig. De superieure kwaliteiten van lithiumniobaatkristallen zijn welbekend in de fotonica-industrie, maar het etsen van het materiaal op de schaal die nodig is voor toepassingen met een laag vermogen en chipgrootte heeft een generatie fysici en materiaalwetenschappers voor problemen gesteld. LN heeft de neiging om aan zichzelf en aan het fabricagesubstraat te kleven. Het is een materiaalprobleem met een hoog risico, zoals Zhang opmerkt. Falen is waarschijnlijk.

Voor Zhang bracht het vooruitzicht om iets te bouwen – het creëren van nieuwe en echte technologie, van onderaf – hem van de laboratoria van een natuurkundeafdeling voor studenten, naar een doctoraallab dat experimenteerde met siliciumfotonica, en zijn postdoctoraal onderzoek in toegepaste fysica aan Harvard.

Op Harvard kwam hij terecht in het lab van Marko Loncar, een professor die bekend staat om zijn werk met moeilijk te fabriceren optische materialen zoals diamant. In Loncar’s lab werd Zhang voorgesteld aan Cheng Wang, een promovendus die net met succes LN nanogolfgeleiders had geproduceerd die het potentieel van de superieure efficiëntie van LN bewezen. De productie van deze nanogolfgeleiders bewees ook de mogelijkheid van het lab om structuren te vervaardigen met nog grotere efficiëntie en prestaties.

Zhang, Wang, en Loncar stelden zich ten doel om de verliesfactor van deze golfgeleiders met een factor 10 te verminderen – van het verliezen van 50% van het licht per centimeter van voortplanting, tot het verliezen van dezelfde hoeveelheid over 10 cm. Als dit doel zou worden bereikt, zou het hele fotonica-landschap op zijn kop worden gezet. De experimentele resultaten verbaasden zelfs het team – zij verminderden de verliesfactor met een factor 100. Zij produceerden een golfgeleider waarin licht zich over meer dan een meter met verwaarloosbaar verlies kon voortplanten. Zij gebruikten deze golfgeleiders met laag verlies om de best presterende elektro-optische modulator te maken, die in een artikel in het tijdschrift Nature wordt gepresenteerd.

Het team realiseerde zich toen dat de geïntegreerde optische modulatorapparaten die met hun chips met ultralaag verlies waren gemaakt, konden voldoen aan de groeiende marktvraag naar optische oplossingen met ultrahoge prestaties en toch kosteneffectief. HyperLight was geboren.

Toen Charles Kao, de Nobelprijswinnaar en pionier op het gebied van optische vezelcommunicatie, in de jaren zestig en zeventig zijn belangrijkste doorbraken realiseerde, had hij niet kunnen voorspellen hoe alomtegenwoordige breedband de huidige maatschappij en wereldeconomie vorm zou geven. Optische vezels met laag verlies veranderden de manier waarop de wereld met elkaar in verbinding staat. Zhang, Loncar en Wang zagen deze fundamentele technologie als iets dat verbeterd moest worden, iets dat geëvolueerd moest worden om aan de eisen van de volgende halve eeuw te voldoen. Zij hebben die verbetering gerealiseerd. Hun chips met ultralaag verlies en de technieken om het ware potentieel van lithiumniobaat te benutten, zullen ons helpen de gegevens van morgen, en de verbindingen, te exploiteren met ongekende snelheden en efficiëntie.