Broadband suspended lithium tantalate Mach-Zehnder modulator achieving a 460 Gbit/s net data rate

Stel je het internet voor als een enorme, bruisende stad waar data het verkeer is. Elke keer dat je een video streamt, een bericht stuurt of een superintelligente kunstmatige intelligentie traint, stuur je miljoenen kleine auto's (bits aan informatie) over een snelweg gemaakt van licht. Lange tijd zijn deze snelwegen verstopt geraakt omdat de verkeerslichten (modulatoren) die de lichtstroom regelen, te traag of te lomp zijn om de spits aan te kunnen. Wetenschappers proberen constant betere verkeerslichten te bouwen die ongelooflijk snel aan en uit kunnen schakelen, zodat er meer data doorheen kan zoeven zonder een ongeluk te krijgen. Dit is de wereld van de "fotonica", waar we licht gebruiken in plaats van elektriciteit om informatie te dragen. De sleutel tot het sneller maken van deze lichten is het vinden van materialen die licht snel en efficiënt kunnen buigen. Een dergelijk materiaal is lithiumtantalaat, een kristal dat fungeert als een superreactieve schakelaar voor licht. Echter, het bouwen van deze schakelaars op de standaard siliciumchips die we voor computers gebruiken, is als proberen een race te hardlopen terwijl je zware laarzen draagt; het silicium vertraagt de elektrische signalen die nodig zijn om het licht te regelen, wat een verkeersopstopping veroorzaakt die beperkt hoe snel de data kan gaan.

Dit artikel vertelt het verhaal van hoe een team onderzoekers die zware laarzen heeft verwijderd. Ze namen een standaard siliciumchip met een dunne laag lithiumtantalaat erop en voerden een delicate "operatie" uit om het silicium direct onder de elektrische draden te verwijderen. Door het silicium weg te snijden en de draden in de vrije lucht te laten zweven, creëerden ze een hogesnelheidssnelweg waar de elektrische signalen naast het licht kunnen racen zonder vertraagd te worden door het zware silicium. Het resultaat is een nieuw type lichtschakelaar dat ongelooflijk snel en efficiënt is. De onderzoekers bouwden een apparaat dat datasnelheden van tot 460 Gbit/s kan verwerken (dat is 460 miljard bits per seconde), wat snel genoeg is om in één seconde duizenden films te downloaden. Ze bewezen dat door simpelweg het silicium onder de draden te verwijderen, ze het volledige snelheidspotentieel van het lithiumtantalaat-materiaal konden ontgrendelen, wat een goedkopere en gemakkelijkere manier biedt om het super-snelle internet van de toekomst te bouwen zonder dat er volledig nieuwe materialen of complexe fabricageprocessen nodig zijn.

Het Verhaal van de Zwevende Lichtschakelaar

Denk aan een moderne computerchip als een wolkenkrabber. De onderste verdieping is een dikke plaat silicium, die geweldig is voor het ondersteunen van het gebouw, maar verschrikkelijk voor het snel doorlaten van hogesnelheidselektrische signalen. Bovenop deze siliciumvloer ligt een dunne, magische laag lithiumtantalaat (LiTaO₃), die de hoofdrolspeler is voor het regelen van licht. Het probleem is dat wanneer je probeert een elektrisch signaal langs de bovenkant te laten lopen om het licht te vertellen wat het moet doen, het signaal door de siliciumvloer eronder moet "wandelen". Omdat silicium zo dicht is met elektrische eigenschappen (wetenschappers noemen dit een "hoge permittiviteit"), werkt het als een zware, kleverige modder die het signaal vertraagt. Deze mismatch betekent dat het elektrische signaal en het lichtsignaal niet synchroon lopen, zoals twee hardlopers die samen willen sprinten waarbij de een in de modder vastzit. Om ze te laten matchen, moeten ingenieurs de elektrische draden meestal heel smal maken, wat weerstand en hitte creëert, waardoor het hele systeem beperkt wordt in snelheid.

De onderzoekers in dit artikel kwamen met een slimme oplossing: ze besloten een brug te bouwen. In plaats van de elektrische draden op de siliciummodder te laten lopen, hebben ze het silicium direct onder de draden weggehaald, waardoor de draden in de lucht blijven hangen. Stel je een koorddanser voor: als hij op een dik, zwaar touw loopt, beweegt hij langzaam. Maar als hij op een dunne, lichte draad loopt die in de lucht hangt, kan hij er moeiteloos overheen zoeven. Door gebruik te maken van een proces genaamd "substraat undercut", heeft het team selectief het silicium onder de elektrode-regio van hun apparaat verwijderd. Ze boorden kleine gaatjes (vias) door de bovenste lagen en gebruikten vervolgens een speciaal chemisch etsproces om het silicium eronder op te lossen, waardoor het lithiumtantalaat en de gouden elektroden boven een holte van lucht bleven zweven.

Dit "zwevende" ontwerp is een game-changer omdat lucht het perfecte medium is voor elektrische signalen — het heeft bijna geen weerstand en vertraagt niets. Door de draden te laten zweven, hebben de onderzoekers het elektrische signaal effectief losgekoppeld van de zware siliciumvloer. Dit stelde hen in staat om bredere elektrische draden te gebruiken (die gemakkelijker te bouwen zijn en minder resistief zijn), terwijl ze toch het elektrische signaal perfect synchroniseerden met het lichtsignaal. Het is also kind van upgraden van een smal, modderig pad naar een brede, gladde snelweg.

De Resultaten: Het Versnellen van de Data

Het team bouwde een apparaat genaamd een Mach–Zehnder modulator, wat in essentie een verkeerslicht voor data is. Het splitst een lichtstraal in twee paden, gebruikt het elektrische signaal om de snelheid van het licht in één pad te veranderen, en combineert ze vervolgens weer om een signaal te creëren dat aan en uit kan worden gezet. Hun nieuwe "zwevende" versie was 8 millimeter lang. Toen ze het testten, waren de resultaten indrukwekkend. Ze ontdekten dat het apparaat kon schakelen met een bandbreedte van 110 GHz. Om dat in perspectief te plaatsen: dit is het frequentiebereik waarin het apparaat nog steeds op de helft van zijn maximale vermogen kan werken; het is een maatstaf voor hoe snel de schakelaar kan reageren.

Ze maten ook de "half-wave voltage", de hoeveelheid elektrisch vermogen die nodig is om de schakelaar om te zetten. Hun apparaat had slechts 5,1 volt nodig om een volledige schakeling te maken, wat behoorlijk efficiënt is voor een zo snel apparaat. Misschien wel het belangrijkste: ze controleerden of het apparaat stabiel bleef over de tijd. In tegen tegenstelling tot sommige andere materialen die afwijken en in de war raken als ze warm worden of verouderen, bleef dit lithiumtantalaat-apparaat stabiel en vertoonde het geen significante afwijking, zelfs niet na testen over een breed scala aan frequenties.

Maar de echte test was het verzenden van daadwerkelijke data. De onderzoekers sloten hun apparaat aan op een hogesnelheidslaser en een computersysteem om berichten te verzenden met een methode genaamd PAM8 (wat lijkt op het verzenden van berichten met 8 verschillende grijstinten in plaats van alleen zwart en wit). Ze duwden het apparaat tot zijn uiterste grenzen en verzonden data met een symboolsnelheid van 180 miljard symbolen per seconde. Het resultaat? Ze bereikten een netto datasnelheid van 460 Gbit/s. Dit betekent dat het apparaat in slechts één seconde genoeg data kon verzenden om een enorme bibliotheek aan boeken te vullen. Deze prestatie ligt op hetzelfde niveau als de beste apparaten die momenteel van lithiumniobaat (een vergelijkbaar materiaal) worden gemaakt, maar de nieuwe methode is eenvoudiger en potentieel goedkoper omdat het niet vereist dat de chip wordt verbonden met een speciale, dure substraat met lage permittiviteit.

Waarom dit ertoe doet

De schoonheid van deze ontdekking is dat het geen volledige herziening vereist van hoe we chips maken. De onderzoekers gebruikten standaard fabricageprocessen en voegden er alleen een "chirurgische" stap aan toe om het silicium onder de draden te verwijderen. Dit maakt het compatibel met bestaande fabrieken die deze chips al maken. Door te bewijzen dat je hoge snelheid kunt behalen door simpelweg de draden in de lucht te laten zweven, hebben ze de deur geopend naar snellere, efficiëntere internetverbindingen. Of het nu gaat om de enorme datacenters die onze AI aandrijven, de volgende generatie 5G- en 6G-netwerken, of gewoon snellere downloads voor iedereen: deze "zwevende" schakelaar toont een duidelijke weg vooruit. Het blijkt dat de beste manier om dingen te versnellen soms niet is om een betere motor te bouwen, maar om het gewicht weg te halen dat het omlaag houdt.