Forskere udvikler ultrahurtige polymermodulatorer, der kan tage varmen

Datacentre kan drage fordel af lavere køleomkostninger, delvist på grund af ultrahurtige elektro-optiske modulatorer udviklet af forskere i Japan ved hjælp af en polymer, der er stabil selv ved temperaturer, der ville koge vand.

Rapporteret i journalen Naturkommunikation , silicium-polymer hybridmodulatorerne kan transmittere 200 gigabit data i sekundet ved op til 110 °C og kunne muliggøre optiske dataforbindelser, der både er ekstremt hurtige og pålidelige ved høje temperaturer, reducere behovet for køling og udvide applikationer i barske miljøer som hustage og biler.

Efterspørgslen efter højhastighedsdatatransmission som f.eks. Til high-definition mediestreaming er eksploderet i de seneste år, og optisk kommunikation er central for mange af de nødvendige dataforbindelser. En kritisk komponent er modulatoren, som sætter data på en lysstråle, der passerer gennem et elektro-optisk materiale, der kan ændre dets optiske egenskaber som reaktion på et elektrisk felt.

De fleste modulatorer bruger i øjeblikket uorganiske halvledere eller krystaller som det elektro-optiske materiale, men organisk baserede polymerer har de fordele, at de kan fremstilles med fremragende elektro-optiske egenskaber til en lav pris og drives ved lave spændinger.

"Polymerer har et stort potentiale til brug i modulatorer, men pålidelighedsproblemer skal stadig løses for mange industriapplikationer, " forklarer Shiyoshi Yokoyama, professor ved Kyushu University's Institute for Materials Chemistry and Engineering og leder af forskningssamarbejdet.

En udfordring er, at dele af molekylerne i polymerlaget skal organiseres gennem en proces kaldet poling for at opnå gode elektro-optiske egenskaber, men denne organisation kan gå tabt, når laget bliver varmt nok til at begynde at blive blødgjort - et punkt, der omtales som glasovergangstemperaturen.

Imidlertid, hvis modulatorerne og andre komponenter kan fungere hurtigt og pålideligt selv ved høje temperaturer, datacentre kunne køre varmere, derved reducerer deres energiforbrug - næsten 40% af det skønnes i øjeblikket at gå til afkøling.

Ved at bruge en polymer, de har designet til at udvise fremragende elektro-optiske egenskaber og en høj glasovergangstemperatur på 172 °C gennem inkorporering af passende kemiske grupper, forskerholdet opnåede ultrahurtig signalering ved forhøjede temperaturer i en silicium-polymer hybrid modulator baseret på en Mach-Zehnder interferometer konfiguration, som er mindre følsom over for temperaturændringer end nogle andre arkitekturer.

I modulatorerne, sammensat af flere lag inklusive polymeren og silicium, en indkommende laserstråle opdeles i to lige lange arme. Påføring af et elektrisk felt på tværs af den elektro-optiske polymer i en af ​​armene ændrer de optiske egenskaber, således at lysbølgen forskydes lidt. Når de to arme kommer sammen igen, interferens mellem de modificerede og umodificerede stråler ændrer styrken af ​​den blandede udgangsstråle afhængigt af mængden af ​​faseforskydning, derved koder data i lyset.

Ved at bruge et simpelt datasignaleringsskema med kun tændt og slukket tilstande, hastigheder på over 100 Gbit/s blev opnået, mens en mere kompliceret metode med fire signalniveauer kunne opnå en hastighed på 200 Gbit/s.

Denne ydeevne blev opretholdt med ubetydelige ændringer, selv når enhederne blev brugt over temperaturer fra 25 °C til 110 °C og efter at have udsat enhederne for 90 °C varme i 100 timer, demonstrerer robustheden og stabiliteten af ​​modulatorerne over et ekstraordinært bredt temperaturområde.

"Stabil drift, selv når temperaturen svinger op til 110 °C er vidunderlig, " siger Yokoyama. "Dette temperaturområde betyder drift i kontrollerede miljøer såsom datacentre, selv ved højere temperaturer end normalt, og mange barske miljøer, hvor temperaturen ikke er godt kontrolleret, er mulige."

De nuværende enheder er millimeterstørrelser, gør dem relativt store sammenlignet med andre designs, men forskerne undersøger måder til yderligere at reducere fodaftrykket for inkorporering af et tæt array af sådanne modulatorer i et lille område.

"Denne form for ydeevne viser, hvor lovende polymerer er for fremtidige telekommunikationsteknologier, " fastslår Yokoyama.