Dos confins de um computador quântico, aos centros de dados, aos cabos não descritores que atravessam os nossos oceanos ou rosqueados por baixo das ruas da nossa cidade, a fibra óptica permite uma conectividade instantânea e profunda.

As conexões entre nossas tecnologias mais fundamentais dependem de um dispositivo para converter sinais entre eletricidade e ondas de luz em alta velocidade: o modulador eletro-óptico.

Os moduladores electro-ópticos feitos com niobato de lítio (LN) são os mais comuns devido à capacidade há muito conhecida do LN de converter eficientemente entre domínios eléctricos e ópticos. No entanto, o LN tem permanecido difícil de fabricar na escala de chips usando processos de microfabricação, o que deixou os moduladores eletro-ópticos em formas volumosas, discretas e caras que não podem ser escaladas, integradas com a eletrônica CMOS, ou alcançar certas métricas de desempenho. Plataformas fotônicas baseadas em outros materiais fornecem integração on-chip, mas vêm com trade-offs de desempenho devido a propriedades não ideais do material.

As demandas de comunicação continuam a evoluir, assim como a necessidade de criar moduladores menores e mais acessíveis que possam democratizar o poder do LN para que não seja apenas a tecnologia das grandes instalações de telecomunicações.

HyperLight tem feito exatamente isso.

A equipa de Mian Zhang, Cheng Wang, e Marko Loncar criaram moduladores LN integrados, à escala de chip. É um avanço imenso em uma escala imensamente pequena. Através do trabalho do Laboratório de Óptica Nanoescala da Universidade de Harvard, o trio descobriu um método de fabricação de moduladores de filme LN fino com perda de sinal extremamente baixa. Esta é uma tecnologia fundamental, que permitirá que futuras redes de comunicação operem a velocidades mais altas e com menor potência, em qualquer lugar.

“Imagine”, começa Zhang, “que os cabos de fibra óptica de longa distância que correm ao longo do fundo do oceano são interestaduais de comunicação”. Alta capacidade. Alta velocidade. Agora imagine se nós fizéssemos todas as conexões entre centros de dados, indústrias, escritórios e casas igualmente capazes. Seria como transformar todas as nossas estradas secundárias em auto-estradas. Exponencialmente mais capacidade e velocidade. Poderíamos conseguir tudo, e conseguir mais, mais rápido, consumindo significativamente menos energia”.

Manipular o LN à nanoescala não é fácil. As qualidades superiores dos cristais de niobato de lítio são bem conhecidas na indústria fotônica, mas gravar o material na escala necessária para aplicações de baixa potência e tamanho de chip tem vexado uma geração de físicos e cientistas de materiais. O LN tem uma tendência a aderir a si próprio e ao substrato de fabrico. Trata-se de um problema de material de alto risco, como observa Zhang. O fracasso é provável.

Para Zhang, a perspectiva de construir algo que crie tecnologia nova e real, de baixo para cima – o trouxe dos laboratórios de um departamento de física de graduação, para um laboratório de doutorado experimentando a fotônica de silício, e sua pesquisa de pós-doutorado em física aplicada em Harvard.

Foi em Harvard que ele entrou para o laboratório de Marko Loncar, um professor renomado por seu trabalho com materiais ópticos difíceis de serem trabalhados, como diamante. No laboratório de Loncar, Zhang foi apresentado a Cheng Wang, um estudante de doutorado que tinha acabado de produzir com sucesso guias de nanoválvulas LN que provaram o potencial da eficiência superior do LN. A produção destes guias de nanoondas também provou a capacidade do laboratório de fabricar estruturas com ainda maior eficiência e desempenho.

Zhang, Wang, e Loncar propuseram-se reduzir o factor de perda destes guias de ondas num factor de 10 – desde a perda de 50% de luz por centímetro de propagação, até à perda da mesma quantidade acima de 10cm. Era uma meta, se cumprida, que iria melhorar toda a paisagem fotônica. Os resultados experimentais surpreenderam até a equipe – eles reduziram o fator de perda por um fator de 100. Eles produziram um guia de onda no qual a luz poderia se propagar com perda insignificante por mais de um metro. Eles usaram esses guias de ondas de baixa perda para fazer o modulador eletro-óptico de maior desempenho, mostrado em um artigo na revista Nature.

A equipe percebeu então que os dispositivos moduladores ópticos integrados feitos usando seus chips ultralow-loss poderiam atender a crescente demanda do mercado por soluções ópticas de ultra alto desempenho, porém com custo-benefício. Nascia assim o HyperLight.

Quando Charles Kao, o Prêmio Nobel e pioneiro da comunicação por fibra óptica, fez seus avanços mais significativos nos anos 60 e 70, ele não poderia ter previsto como a banda larga onipresente iria moldar a sociedade atual e a economia global. A fibra ótica de baixa perda mudou a forma como o mundo se conecta. Zhang, Loncar e Wang viram essa tecnologia fundamental como algo a ser melhorado, algo a ser evoluído para atender às demandas do próximo meio século. Eles criaram essa melhoria. Seus chips ultralow-loss, e as técnicas para aproveitar o verdadeiro potencial do niobate de lítio, nos ajudarão a explorar os dados de amanhã, e suas conexões, com níveis de velocidade e eficiência sem precedentes.