Datacenters kunnen profiteren van lagere koelingskosten, deels dankzij ultrasnelle elektro-optische modulatoren die zijn ontwikkeld door onderzoekers in Japan en die een polymeer gebruiken dat stabiel is, zelfs bij temperaturen waarbij water zou koken.

Gerapporteerd in het journaal Natuurcommunicatie , de hybride modulatoren van silicium en polymeer kunnen 200 gigabit aan gegevens per seconde verzenden tot 110 °C en kunnen optische gegevensverbindingen mogelijk maken die zowel extreem snel als betrouwbaar zijn bij hoge temperaturen, het verminderen van de behoefte aan koeling en het uitbreiden van toepassingen in ruwe omgevingen zoals daken en auto's.

De vraag naar snelle datatransmissie, zoals voor high-definition mediastreaming, is de afgelopen jaren explosief gestegen, en optische communicatie staan ​​centraal in veel van de benodigde dataverbindingen. Een cruciaal onderdeel is de modulator, die gegevens plaatst over een lichtstraal die door een elektro-optisch materiaal gaat dat zijn optische eigenschappen kan veranderen als reactie op een elektrisch veld.

De meeste modulatoren gebruiken momenteel anorganische halfgeleiders of kristallen als elektro-optisch materiaal, maar polymeren op organische basis hebben de voordelen dat ze tegen lage kosten met uitstekende elektro-optische eigenschappen kunnen worden vervaardigd en bij lage spanningen kunnen worden gebruikt.

"Polymeren hebben een groot potentieel voor gebruik in modulatoren, maar betrouwbaarheidsproblemen moeten nog worden opgelost voor veel industriële toepassingen, " legt Shiyoshi Yokoyama uit, professor van Kyushu University's Institute for Materials Chemistry and Engineering en leider van de onderzoekssamenwerking.

Een uitdaging is dat delen van de moleculen in de polymeerlaag moeten worden georganiseerd via een proces dat poling wordt genoemd om goede elektro-optische eigenschappen te verkrijgen, maar deze organisatie kan verloren gaan wanneer de laag warm genoeg wordt om zacht te worden - een punt dat de glasovergangstemperatuur wordt genoemd.

Echter, als de modulatoren en andere componenten snel en betrouwbaar kunnen werken, zelfs bij hoge temperaturen, datacenters kunnen warmer worden, waardoor hun energieverbruik wordt verminderd, waarvan momenteel naar schatting bijna 40% naar koeling gaat.

Gebruikmakend van een polymeer dat ze hebben ontworpen om uitstekende elektro-optische eigenschappen en een hoge glasovergangstemperatuur van 172 ° C te vertonen door de opname van geschikte chemische groepen, het onderzoeksteam bereikte ultrasnelle signalering bij verhoogde temperaturen in een silicium-polymeer hybride modulator op basis van een Mach-Zehnder interferometerconfiguratie, die minder gevoelig is voor temperatuurveranderingen dan sommige andere architecturen.

In de modulatoren, samengesteld uit meerdere lagen, waaronder het polymeer en silicium, een inkomende laserstraal wordt gesplitst in twee armen van gelijke lengte. Het aanleggen van een elektrisch veld over het elektro-optische polymeer in een van de armen verandert de optische eigenschappen zodanig dat de lichtgolf iets verschuift. Als de twee armen weer bij elkaar komen, interferentie tussen de gemodificeerde en ongewijzigde bundels verandert de sterkte van de gemengde uitgangsbundel afhankelijk van de hoeveelheid faseverschuiving, waardoor gegevens in het licht worden gecodeerd.

Met behulp van een eenvoudig datasignaleringsschema van alleen aan en uit toestanden, snelheden van meer dan 100 Gbit/s werden behaald, terwijl een meer gecompliceerde methode met vier signaalniveaus een snelheid van 200 Gbit/s zou kunnen bereiken.

Deze prestatie bleef behouden met verwaarloosbare veranderingen, zelfs bij gebruik van de apparaten bij temperaturen van 25 °C tot 110 °C en na blootstelling van de apparaten aan 90 °C hitte gedurende 100 uur, demonstreert de robuustheid en stabiliteit van de modulatoren over een buitengewoon breed temperatuurbereik.

"Stabiele werking zelfs bij temperatuurschommelingen tot 110 °C is heerlijk, ", zegt Yokoyama. "Dit temperatuurbereik betekent operatie in gecontroleerde omgevingen zoals datacenters, zelfs bij hogere dan normale temperaturen, en veel ruwe omgevingen waar de temperatuur niet goed wordt gecontroleerd, is mogelijk."

De huidige apparaten zijn millimeter groot, waardoor ze relatief groot zijn in vergelijking met andere ontwerpen, maar de onderzoekers onderzoeken manieren om de voetafdruk verder te verkleinen voor het opnemen van een dichte reeks van dergelijke modulatoren in een klein gebied.

"Dit soort prestaties laten zien hoe veelbelovend polymeren zijn voor toekomstige telecommunicatietechnologieën, ", stelt Yokoyama.