Från en kvantdator, till datacenter, till obetydliga kablar som spänner över våra hav eller går under stadens gator, möjliggör optiska fibrer omedelbar och djupgående uppkoppling.
Förbindelserna mellan våra mest grundläggande tekniker är beroende av en anordning som omvandlar signaler mellan elektricitet och ljusvågor i hög hastighet: den elektrooptiska modulatorn.
Elektrooptiska modulatorer tillverkade av litiumniobat (LN) är de vanligaste på grund av LN:s sedan länge kända förmåga att effektivt omvandla mellan elektriska och optiska domäner. LN har dock förblivit svårt att tillverka i chipskala med hjälp av mikrotillverkningsprocesser, vilket har lämnat elektrooptiska modulatorer i skrymmande, diskreta och dyra former som inte kan skalas, integreras med CMOS-elektronik eller uppnå vissa prestandamått. Fotonikplattformar baserade på andra material ger visserligen integration på chipet, men de har prestandaavvägningar på grund av icke-ideala materialegenskaper.
I takt med att kommunikationskraven fortsätter att utvecklas, ökar också behovet av att skapa mindre, mer lättillgängliga modulatorer som kan demokratisera kraften hos LN, så att den inte bara är en teknik för stora telekommunikationsinstallationer.
HyperLight har gjort just det.
Tillhörig teamet bestående av Mian Zhang, Cheng Wang och Marko Loncar har skapat integrerade LN-modulatorer i chipskala. Det är ett enormt genombrott i en oerhört liten skala. Genom arbete från Laboratory for Nanoscale Optics vid Harvard University upptäckte trion en metod för att tillverka tunna LN-filmmodulatorer med extremt låg signalförlust. Detta är en grundläggande teknik, en teknik som kommer att göra det möjligt för framtida kommunikationsnätverk att fungera med högre hastigheter och lägre effekt, överallt.
”Tänk dig”, börjar Zhang, ”att de långa optiska fiberkablar som löper längs havsbotten är kommunikationsvägar. Hög kapacitet. Hög hastighet. Tänk nu om vi gjorde alla anslutningar mellan datacenter, industrier, kontor och hem lika kapabla. Det skulle vara som att göra alla våra småvägar till motorvägar. Exponentiellt högre kapacitet och hastighet. Vi skulle kunna få allt, och få mer av det, snabbare samtidigt som vi förbrukar betydligt mindre energi.”
Det är inte lätt att manipulera LN i nanoskala. De överlägsna egenskaperna hos litiumniobatkristaller är välkända inom fotoindustrin, men att etsa materialet i den skala som krävs för tillämpningar med låg effekt och i chipstorlek har retat upp en generation fysiker och materialforskare. LN har en tendens att fastna på sig själv och på tillverkningssubstratet. Det är ett högriskmaterialproblem, vilket Zhang påpekar. Fel är troligt.
För Zhang ledde utsikten att bygga något – att skapa ny och verklig teknik från grunden uppåt – honom från laboratorierna på en fysikavdelning för grundutbildade studenter till ett doktorandlaboratorium där han experimenterade med kiselfotonik och till sin postdoktorala forskning i tillämpad fysik vid Harvard.
Det var på Harvard som han anslöt sig till Marko Loncars labb, en professor som var känd för sitt arbete med svårtillverkade optiska material som diamant. I Loncars labb presenterades Zhang för Cheng Wang, en doktorand som just hade lyckats tillverka LN-nanovägledare som bevisade potentialen i LN:s överlägsna effektivitet. Produktionen av dessa nanovägledare bevisade också laboratoriets förmåga att tillverka strukturer med ännu högre effektivitet och prestanda.
Zhang, Wang och Loncar satte sig för att minska förlustfaktorn för dessa vågledare med en faktor 10 – från att förlora 50 % av ljuset per centimeter utbredning till att förlora samma mängd över 10 cm. Om detta mål skulle uppfyllas skulle det kunna förändra hela det fotoniska landskapet. De experimentella resultaten förvånade till och med teamet – de minskade förlustfaktorn med en faktor 100. De producerade en vågledare i vilken ljuset kunde spridas med försumbar förlust i över en meter. De använde dessa vågledare med låga förluster för att tillverka den mest högpresterande elektrooptiska modulatorn, som presenteras i en artikel i tidskriften Nature.
Teamet insåg sedan att de integrerade optiska modulatoranordningar som tillverkades med hjälp av deras chip med ultralåga förluster skulle kunna tillgodose marknadens växande efterfrågan på ultrahögpresterande, men ändå kostnadseffektiva optiska lösningar. HyperLight var född.
När Charles Kao, nobelpristagare och pionjär inom optisk fiberkommunikation, gjorde sina mest betydelsefulla genombrott på 1960- och 1970-talen, kunde han inte ha förutspått hur allestädes närvarande bredband skulle forma dagens samhälle och globala ekonomi. Optisk fiber med låg förlust förändrade världens sätt att ansluta sig till varandra. Zhang, Loncar och Wang såg denna grundläggande teknik som något som måste förbättras, något som måste utvecklas för att möta kraven under det kommande halvseklet. De har skapat den förbättringen. Deras chip med ultralåg förlust och tekniken för att utnyttja litiumniobats verkliga potential kommer att hjälpa oss att utnyttja morgondagens data och dess anslutningar med oöverträffad snabbhet och effektivitet.