Elektro-optisk kontakt transmitterer data ved rekordlave temperaturer

En optisk siliciumswitch, der er nyudviklet hos Sandia National Laboratories, er den første, der transmitterer op til 10 gigabit pr. sekund af data ved temperaturer blot et par grader over det absolutte nulpunkt. Enheden kunne muliggøre datatransmission for næste generation af superledende computere, der lagrer og behandler data ved kryogene temperaturer. Selvom disse supercomputere stadig er eksperimentelle, de kunne potentielt tilbyde computerhastigheder ti gange hurtigere end nutidens computere og samtidig reducere strømforbruget markant.

Det faktum, at kontakten fungerer ved en række temperaturer, tilbyder hurtig datatransmission og kræver lidt strøm, kunne også gøre det nyttigt til at overføre data fra instrumenter, der bruges i rummet, hvor strømmen er begrænset og temperaturerne varierer meget.

"At lave elektriske forbindelser til systemer, der fungerer ved meget kolde temperaturer, er meget udfordrende, men optik kan tilbyde en løsning, " sagde ledende forsker Michael Gehl, Sandia National Laboratories, Ny mexico. "Vores lille switch tillader data at blive transmitteret ud af det kolde miljø ved hjælp af lys, der rejser gennem en optisk fiber, i stedet for elektricitet."

I The Optical Society's journal for high impact research, Optica , Gehl og hans kolleger beskriver deres nye silicium mikro-disk modulator og viser, at den kan transmittere data i miljøer så kolde som 4,8 Kelvin. Enheden blev fremstillet med standardteknikker, der bruges til at fremstille CMOS-computerchips, hvilket betyder, at den let kan integreres på chips, der indeholder elektroniske komponenter.

"Dette er et af de første eksempler på en aktiv silicium optisk enhed, der fungerer ved så lav en temperatur, " sagde Gehl. "Vores enhed kan potentielt revolutionere teknologier, der er begrænset af, hvor hurtigt du kan sende information ind og ud af et koldt miljø elektrisk."

Optik udmærker sig ved lave temperaturer

Til lavtemperaturapplikationer, optiske metoder giver flere fordele i forhold til elektrisk datatransmission. Fordi elektriske ledninger leder varme, de indfører ofte varme i et system, der skal forblive koldt. Optiske fibre, på den anden side, overføre næsten ingen varme. Også, en enkelt optisk fiber kan transmittere flere data med hurtigere hastigheder end en elektrisk ledning, hvilket betyder, at én fiber kan udføre arbejdet med mange elektriske forbindelser.

Mikrodiskmodulatoren kræver meget lidt strøm for at fungere - omkring 1000 gange mindre strøm end nutidens kommercielt tilgængelige elektro-optiske kontakter - hvilket også hjælper med at reducere den varme, enheden bidrager med til det kolde miljø.

For at lave den nye enhed, forskerne fremstillede en lille siliciumbølgeleder (brugt til at transmittere lysbølger) ved siden af ​​en siliciummikroskive med kun 3,5 mikrometer i diameter. Lys, der kommer gennem bølgelederen, bevæger sig ind i mikroskiven og bevæger sig rundt om skiven i stedet for at passere lige gennem bølgelederen. Tilføjelse af urenheder til silicium-mikro-disken skaber en elektrisk forbindelse, hvortil en spænding kan påføres. Spændingen ændrer materialets egenskaber på en måde, der forhindrer lyset i at bevæge sig ind i skiven og tillader det i stedet at passere gennem bølgelederen. Det betyder, at lyssignalet slukkes og tændes, når spændingen tændes og slukkes, giver en måde at omdanne de ener og nuller, der udgør elektriske data, til et optisk signal.

Selvom andre forskningsgrupper har designet lignende enheder, Gehl og hans kolleger er de første til at optimere mængden af ​​anvendte urenheder og den nøjagtige placering af disse urenheder, så mikrodiskmodulatoren kan fungere ved lave temperaturer. Deres tilgang kunne bruges til at lave andre elektro-optiske enheder, der fungerer ved lave temperaturer.

Lav fejlrate

For at teste mikrodiskmodulatoren, forskerne placerede det inde i en kryostat - et lille vakuumkammer, der kan afkøle det, der er indeni, til meget lave temperaturer. Mikrodiskmodulatoren konverterede et elektrisk signal sendt ind i kryostaten til et optisk signal. Forskerne undersøgte derefter det optiske signal, der kom ud af kryostaten for at måle, hvor godt det matchede de indkommende elektriske data.

Forskerne betjente deres enhed ved stuetemperatur, 100 Kelvin og 4,8 Kelvin med forskellige datahastigheder op til 10 gigabit per sekund. Selvom de observerede en lille stigning i fejl ved den højeste datahastighed og laveste temperatur, fejlfrekvensen var stadig lav nok til, at enheden var nyttig til at overføre data.

Dette arbejde bygger på mange års indsats for at udvikle silicium fotoniske enheder til optisk kommunikation og højtydende computerapplikationer, ledet af Applied Photonics Microsystems-gruppen i Sandia. Som et næste skridt, forskerne ønsker at demonstrere, at deres enhed fungerer med data genereret inde i lavtemperaturmiljøet, snarere end kun elektriske signaler, der kommer udefra kryostaten. De fortsætter også med at optimere enhedens ydeevne.