Od granic komputera kwantowego, przez centra danych, po niezauważalne kable przecinające nasze oceany lub biegnące pod ulicami miast, światłowody umożliwiają natychmiastową i głęboką łączność.
Połączenia między naszymi najbardziej podstawowymi technologiami opierają się na urządzeniu do konwersji sygnałów między elektrycznością a falami świetlnymi z dużą prędkością: modulatorze elektrooptycznym.
Modulatory elektro-optyczne wykonane z niobianu litu (LN) są najbardziej powszechne ze względu na znaną od dawna zdolność LN do efektywnej konwersji między domenami elektrycznymi i optycznymi. Jednakże, LN pozostaje trudny do wytworzenia na skalę chipową przy użyciu procesów mikrofabrycznych, co sprawia, że modulatory elektrooptyczne pozostają w nieporęcznych, dyskretnych i drogich formach, które nie mogą być skalowane, integrowane z elektroniką CMOS lub osiągać określonych parametrów wydajności. Platformy fotoniczne oparte na innych materiałach zapewniają integrację w układzie scalonym, ale wiążą się z kompromisami wydajnościowymi wynikającymi z nieidealnych właściwości materiałów.
Wraz z ciągłym rozwojem potrzeb komunikacyjnych rośnie również potrzeba stworzenia mniejszych, bardziej dostępnych modulatorów, które mogą zdemokratyzować moc LN, tak aby nie była to tylko technologia stosowana w dużych instalacjach telekomunikacyjnych.
HyperLight właśnie tego dokonał.
Zespół w składzie Mian Zhang, Cheng Wang i Marko Loncar stworzył zintegrowane modulatory LN w skali chipowej. Jest to olbrzymi przełom na niezmiernie małą skalę. Dzięki pracy w Laboratory for Nanoscale Optics na Uniwersytecie Harvarda, trio odkryło metodę wytwarzania modulatorów z cienkiej folii LN o niezwykle niskiej stracie sygnału. Jest to fundamentalna technologia, która umożliwi przyszłym sieciom komunikacyjnym działanie z większą prędkością i mniejszą mocą, wszędzie.
„Wyobraźmy sobie,” zaczyna Zhang, „że długodystansowe kable światłowodowe, które biegną wzdłuż dna oceanu są międzystanowymi liniami komunikacyjnymi. Duża pojemność. Wysoka prędkość. Teraz wyobraźmy sobie, że wszystkie połączenia pomiędzy centrami danych, przemysłem, biurami i domami są równie wydajne. Byłoby to jak przekształcenie wszystkich naszych dróg w autostrady. Wykładniczo większa przepustowość i prędkość. Moglibyśmy dostać wszystko, i dostać więcej tego, szybciej, zużywając przy tym znacznie mniej energii.”
Manipulacja LN w nanoskali nie jest łatwa. Doskonałe właściwości kryształów niobianu litu są dobrze znane w przemyśle fotonicznym, ale wytrawianie materiału w skali potrzebnej do zastosowań o niskiej mocy, wielkości chipa, wprawiło w zakłopotanie całe pokolenie fizyków i materiałoznawców. LN ma tendencję do przywierania do siebie i do podłoża produkcyjnego. Jak zauważa Zhang, jest to problem materiałowy wysokiego ryzyka. Porażka jest prawdopodobna.
Dla Zhanga, perspektywa zbudowania czegoś – stworzenia nowej i prawdziwej technologii, od dołu do góry – przywiodła go z laboratoriów wydziału fizyki, do laboratorium doktoranckiego eksperymentującego z fotoniką krzemową i jego badań podoktorskich w dziedzinie fizyki stosowanej na Harvardzie.
To było na Harvardzie, że dołączył do laboratorium Marko Loncar, profesor znany ze swojej pracy z trudnych do wytworzenia materiałów optycznych, takich jak diament. W laboratorium Loncara, Zhang został przedstawiony Cheng Wangowi, doktorantowi, który właśnie z powodzeniem wyprodukował nanoprzewodniki LN, które udowodniły potencjał najwyższej wydajności LN. Produkcja tych nanoprzewodników udowodniła również zdolność laboratorium do wytwarzania struktur o jeszcze większej wydajności i osiągach.
Zhang, Wang i Loncar postanowili zmniejszyć współczynnik strat tych falowodów o współczynnik 10 – z utraty 50% światła na centymetr propagacji, do utraty tej samej ilości na odcinku 10cm. Był to cel, który, jeśli zostanie osiągnięty, zmieni cały krajobraz fotoniki. Wyniki eksperymentów zadziwiły nawet sam zespół – udało się zmniejszyć współczynnik strat o współczynnik 100. Wyprodukowali falowód, w którym światło mogło się rozchodzić z pomijalnymi stratami na odległość ponad jednego metra. Wykorzystali te niskostratne falowody do stworzenia modulatora elektrooptycznego o najwyższej wydajności, co zostało zaprezentowane w artykule w czasopiśmie Nature.
Zespół zdał sobie sprawę, że zintegrowane modulatory optyczne wykonane przy użyciu ich ultraniskostratnych chipów mogą zaspokoić rosnące zapotrzebowanie rynku na bardzo wydajne, a zarazem opłacalne rozwiązania optyczne. W ten sposób narodziła się firma HyperLight.
Kiedy Charles Kao, laureat Nagrody Nobla i pionier komunikacji światłowodowej, dokonał swoich najważniejszych przełomowych odkryć w latach 60. i 70. ubiegłego wieku, nie mógł przewidzieć, jak wszechobecne łącza szerokopasmowe ukształtują dzisiejsze społeczeństwo i globalną gospodarkę. Niskostratny światłowód zmienił sposób, w jaki świat się łączy. Zhang, Loncar i Wang uznali tę fundamentalną technologię za coś, co należy ulepszyć, coś, co należy rozwinąć, aby sprostać wymaganiom następnego półwiecza. Udało im się opracować to ulepszenie. Ich ultra-niskostratne chipy oraz techniki pozwalające wykorzystać prawdziwy potencjał niobianu litu, pomogą nam wykorzystać dane jutra i ich połączenia z niespotykaną dotąd szybkością i wydajnością.