De la limitele unui computer cuantic, la centrele de date, la cablurile nedeslușite care traversează oceanele noastre sau care se înșiră pe sub străzile orașelor noastre, fibra optică permite o conectivitate instantanee și profundă.

Conexiunile dintre cele mai fundamentale tehnologii ale noastre se bazează pe un dispozitiv de conversie a semnalelor între electricitate și undele luminoase la viteze mari: modulatorul electro-optic.

Modulatorii electro-optici realizați cu niobat de litiu (LN) sunt cei mai răspândiți datorită capacității cunoscute de mult timp a LN de a converti eficient între domeniile electric și optic. Cu toate acestea, LN a rămas dificil de fabricat la scara cipurilor cu ajutorul proceselor de microfabricare, ceea ce a lăsat modulatorii electro-optici în forme voluminoase, discrete și costisitoare, care nu pot fi scalate, nu se pot integra cu electronica CMOS sau nu pot atinge anumiți parametri de performanță. Platformele fotonice bazate pe alte materiale asigură integrarea pe cip, dar vin cu compromisuri de performanță din cauza proprietăților neideale ale materialelor.

Acum cerințele de comunicare continuă să evolueze, la fel și nevoia de a crea modulatori mai mici și mai accesibili, care pot democratiza puterea LN, astfel încât să nu fie doar o tehnologie a marilor instalații de telecomunicații.

HyperLight a făcut exact acest lucru.

Echipa formată din Mian Zhang, Cheng Wang și Marko Loncar a creat modulatoare LN integrate, la scară de cip. Este o descoperire imensă la o scară imens de mică. Prin munca desfășurată în cadrul Laboratorului de Optică la scară nanometrică de la Universitatea Harvard, trioul a descoperit o metodă de fabricare a unor modulatoare subțiri de peliculă LN cu pierderi de semnal extrem de mici. Aceasta este o tehnologie fundamentală, care va permite ca viitoarele rețele de comunicații să funcționeze la viteze mai mari și la o putere mai mică, peste tot.

„Imaginați-vă”, începe Zhang, „că cablurile de fibră optică pe distanțe lungi care se întind de-a lungul fundului oceanului sunt interstații de comunicare. De mare capacitate. Viteză mare. Acum imaginați-vă că am face toate conexiunile dintre centrele de date, industrii, birouri și case la fel de capabile. Ar fi ca și cum am transforma toate drumurile noastre secundare în autostrăzi. Capacitate și viteză exponențial mai mari. Am putea obține totul, și mai mult, mai repede, consumând în același timp semnificativ mai puțină energie.”

Manipularea LN la scară nanometrică nu este ușoară. Calitățile superioare ale cristalelor de niobat de litiu sunt binecunoscute în industria fotonică, dar gravarea materialului la scara necesară pentru aplicațiile de mică putere, de dimensiunea unui cip, a dat bătăi de cap unei generații de fizicieni și oameni de știință din domeniul materialelor. LN are tendința de a se lipi de el însuși și de substratul de fabricație. Este o problemă de material cu risc ridicat, după cum remarcă Zhang. Eșecul este probabil.

Pentru Zhang, perspectiva de a construi ceva – de a crea o tehnologie nouă și reală, de jos în sus – l-a adus de la laboratoarele unui departament de fizică de licență, la un laborator de doctorat care a experimentat cu fotonica de siliciu și la cercetarea sa postdoctorală în domeniul fizicii aplicate la Harvard.

La Harvard s-a alăturat laboratorului lui Marko Loncar, un profesor renumit pentru munca sa cu materiale optice greu de fabricat, precum diamantul. În laboratorul lui Loncar, Zhang a făcut cunoștință cu Cheng Wang, un doctorand care tocmai reușise să producă cu succes nanoghiduri de undă LN care au dovedit potențialul eficienței superioare a LN. Producția acestor nanoghiduri de undă a dovedit, de asemenea, capacitatea laboratorului de a fabrica structuri cu o eficiență și o performanță și mai mari.

Zhang, Wang și Loncar și-au propus să reducă factorul de pierdere al acestor ghiduri de undă cu un factor de 10 – de la pierderea a 50% din lumină pe centimetru de propagare, la pierderea aceleiași cantități pe 10 cm. Era un obiectiv care, dacă ar fi fost atins, ar fi bulversat întregul peisaj al fotonicii. Rezultatele experimentale au uimit chiar și echipa – au redus factorul de pierdere cu un factor de 100. Au produs un ghid de undă în care lumina se putea propaga cu pierderi neglijabile pe o distanță de peste un metru. Ei au folosit aceste ghiduri de undă cu pierderi reduse pentru a realiza cel mai performant modulator electro-optic, prezentat într-un articol din revista Nature.

Echipa și-a dat seama apoi că dispozitivele modulatoare optice integrate realizate cu ajutorul cipurilor lor cu pierderi foarte mici ar putea satisface cererea tot mai mare de pe piață pentru soluții optice ultraperformante, dar rentabile. S-a născut HyperLight.

Când Charles Kao, laureat al premiului Nobel și pionier al comunicațiilor prin fibră optică, a făcut cele mai importante descoperiri ale sale în anii 1960 și 1970, el nu ar fi putut prezice modul în care banda largă omniprezentă va modela societatea și economia globală de astăzi. Fibra optică cu pierderi reduse a schimbat modul în care lumea se conectează. Zhang, Loncar și Wang au văzut această tehnologie fundamentală ca pe ceva ce trebuie îmbunătățit, ceva ce trebuie să evolueze pentru a răspunde cerințelor din următoarea jumătate de secol. Ei au proiectat această îmbunătățire. Cipurile lor cu pierderi foarte mici și tehnicile de valorificare a adevăratului potențial al niobatului de litiu ne vor ajuta să exploatăm datele de mâine și conexiunile acestora cu un nivel de viteză și eficiență fără precedent.