Een nieuw ontwikkelde optische siliciumschakelaar van Sandia National Laboratories is de eerste die tot 10 gigabit per seconde aan gegevens verzendt bij temperaturen van slechts enkele graden boven het absolute nulpunt. Het apparaat kan gegevensoverdracht mogelijk maken voor supergeleidende computers van de volgende generatie die gegevens opslaan en verwerken bij cryogene temperaturen. Hoewel deze supercomputers nog experimenteel zijn, ze zouden potentieel tien keer snellere computersnelheden kunnen bieden dan de huidige computers, terwijl ze het stroomverbruik aanzienlijk verminderen.

Het feit dat de schakelaar bij verschillende temperaturen werkt, biedt snelle gegevensoverdracht en vereist weinig stroom kan het ook nuttig maken voor het verzenden van gegevens van instrumenten die in de ruimte worden gebruikt, waar het vermogen beperkt is en de temperaturen sterk variëren.

"Het maken van elektrische verbindingen met systemen die bij zeer lage temperaturen werken, is een hele uitdaging, maar optica kan een oplossing bieden, " zei hoofdonderzoeker Michael Gehl, Sandia Nationale Laboratoria, New Mexico. "Met onze kleine schakelaar kunnen gegevens uit de koude omgeving worden verzonden met behulp van licht dat door een optische vezel gaat, in plaats van elektriciteit."

In het tijdschrift The Optical Society voor high impact research, optiek , Gehl en zijn collega's beschrijven hun nieuwe silicium microschijfmodulator en laten zien dat deze gegevens kan verzenden in omgevingen zo koud als 4,8 Kelvin. Het apparaat is gefabriceerd met standaardtechnieken die worden gebruikt om CMOS-computerchips te maken, wat betekent dat het gemakkelijk kan worden geïntegreerd op chips die elektronische componenten bevatten.

"Dit is een van de eerste voorbeelden van een actief optisch siliciumapparaat dat bij zo'n lage temperatuur werkt, "zei Gehl. "Ons apparaat kan mogelijk een revolutie teweegbrengen in technologieën die worden beperkt door hoe snel je informatie elektrisch in en uit een koude omgeving kunt sturen."

Optiek blinkt uit bij lage temperaturen

Voor toepassingen bij lage temperaturen, optische methoden bieden verschillende voordelen ten opzichte van elektrische gegevensoverdracht. Omdat elektrische draden warmte geleiden, ze brengen vaak warmte in een systeem dat koud moet blijven. Optische vezels, anderzijds, geven bijna geen warmte door. Ook, een enkele optische vezel kan meer gegevens met hogere snelheden verzenden dan een elektrische draad, wat betekent dat één vezel het werk van vele elektrische verbindingen kan doen.

De microschijfmodulator vereist heel weinig stroom om te werken - ongeveer 1000 keer minder stroom dan de in de handel verkrijgbare elektro-optische schakelaars van vandaag - wat ook helpt de warmte die het apparaat aan de koude omgeving afgeeft te verminderen.

Om het nieuwe apparaat te maken, de onderzoekers fabriceerden een kleine siliciumgolfgeleider (gebruikt om lichtgolven door te geven) naast een siliciummicroschijf met een diameter van slechts 3,5 micron. Licht dat door de golfgeleider komt, beweegt in de microschijf en reist rond de schijf in plaats van recht door de golfgeleider te gaan. Door onzuiverheden aan de silicium-microschijf toe te voegen, ontstaat een elektrisch knooppunt waarop een spanning kan worden aangelegd. De spanning verandert de eigenschappen van het materiaal op een manier die voorkomt dat het licht de schijf binnendringt en in plaats daarvan door de golfgeleider kan gaan. Dit betekent dat het lichtsignaal aan en uit gaat als de spanning in- en uitschakelt, een manier bieden om de enen en nullen die elektrische gegevens vormen om te zetten in een optisch signaal.

Hoewel andere onderzoeksgroepen soortgelijke apparaten hebben ontworpen, Gehl en zijn collega's zijn de eersten die de hoeveelheid gebruikte onzuiverheden en de exacte plaatsing van die onzuiverheden optimaliseren, zodat de microschijfmodulator bij lage temperaturen kan werken. Hun aanpak zou kunnen worden gebruikt om andere elektro-optische apparaten te maken die bij lage temperaturen werken.

Laag foutenpercentage

Om de microschijfmodulator te testen, de onderzoekers plaatsten het in een cryostaat - een kleine vacuümkamer die de binnenkant tot zeer lage temperaturen kan koelen. De microschijfmodulator zette een elektrisch signaal dat naar de cryostaat werd gestuurd om in een optisch signaal. De onderzoekers onderzochten vervolgens het optische signaal dat uit de cryostaat kwam om te meten hoe goed het overeenkwam met de binnenkomende elektrische gegevens.

De onderzoekers bedienden hun apparaat bij kamertemperatuur, 100 Kelvin en 4,8 Kelvin met verschillende datasnelheden tot 10 gigabit per seconde. Hoewel ze een lichte toename van fouten waarnamen bij de hoogste gegevenssnelheid en de laagste temperatuur, het foutenpercentage was nog steeds laag genoeg om het apparaat bruikbaar te maken voor het verzenden van gegevens.

Dit werk bouwt voort op jarenlange inspanningen om silicium fotonische apparaten te ontwikkelen voor optische communicatie en hoogwaardige computertoepassingen, geleid door de Applied Photonics Microsystems-groep bij Sandia. Als volgende stap, de onderzoekers willen aantonen dat hun apparaat werkt met gegevens die zijn gegenereerd in een omgeving met lage temperaturen, in plaats van alleen elektrische signalen die van buiten de cryostaat komen. Ze blijven ook de prestaties van het apparaat optimaliseren.