Vågformer av data som överförs med 200 Gbit/s med en hybrid-polymermodulator som kan arbeta vid temperaturer upp till 110 °C. Signalerna kan ta en av fyra olika nivåer som motsvarar två bitar vardera, vilket resulterar i tre hål i de överlappande signalerna. Kredit:Kyushu University
Datacenter kan dra nytta av lägre kylningskostnader, delvis på grund av ultrasnabba elektrooptiska modulatorer utvecklade av forskare i Japan med en polymer som är stabil även vid temperaturer som skulle koka vatten.
Redovisat i tidskriften Naturkommunikation , kisel-polymer hybridmodulatorerna kan överföra 200 gigabit data per sekund vid upp till 110 °C och kan möjliggöra optiska datasammankopplingar som är både extremt snabba och tillförlitliga vid höga temperaturer, minskar behovet av kylning och utökar applikationer i tuffa miljöer som tak och bilar.
Efterfrågan på höghastighetsdataöverföring som för högupplöst mediastreaming har exploderat de senaste åren, och optisk kommunikation är central för många av de nödvändiga dataanslutningarna. En kritisk komponent är modulatorn, som lägger data på en ljusstråle som passerar genom ett elektrooptiskt material som kan ändra dess optiska egenskaper som svar på ett elektriskt fält.
De flesta modulatorer använder för närvarande oorganiska halvledare eller kristaller som det elektrooptiska materialet, men organiskt baserade polymerer har fördelarna att de kan tillverkas med utmärkta elektrooptiska egenskaper till en låg kostnad och drivas vid låga spänningar.
"Polymerer har stor potential för användning i modulatorer, men tillförlitlighetsproblem måste fortfarande övervinnas för många industriapplikationer, " förklarar Shiyoshi Yokoyama, professor vid Kyushu Universitys Institute for Materials Chemistry and Engineering och ledare för forskningssamarbetet.
En utmaning är att delar av molekylerna i polymerskiktet måste organiseras genom en process som kallas poling för att få bra elektrooptiska egenskaper, men denna organisation kan gå förlorad när lagret blir tillräckligt varmt för att börja mjukna - en punkt som kallas glasövergångstemperaturen.
Dock, om modulatorerna och andra komponenter kan fungera snabbt och tillförlitligt även vid höga temperaturer, datacenter kan bli varmare, därigenom minskar deras energianvändning – nästan 40 % av detta beräknas för närvarande gå till kylning.
Kisel-polymer hybridmodulatorn ses här som en tunn, svart remsa utvecklades av forskare i Japan och kan överföra data i 200 Gbit/s vid temperaturer upp till 110 °C. Modulatorer som kan arbeta snabbt vid så höga temperaturer kan minska kylbehovet i datacenter och låsa upp applikationer i hårda, dåligt kontrollerade miljöer som bilar, flygplan, och hustak. Kredit:Shiyoshi Yokoyama, Kyushu universitet
Genom att använda en polymer som de designade för att uppvisa fantastiska elektro-optiska egenskaper och en hög glastemperatur på 172 °C genom inkorporering av lämpliga kemiska grupper, forskargruppen uppnådde ultrasnabb signalering vid förhöjda temperaturer i en hybridmodulator av kisel-polymer baserad på en Mach-Zehnder-interferometerkonfiguration, som är mindre känslig för temperaturförändringar än vissa andra arkitekturer.
I modulatorerna, består av flera lager inklusive polymeren och kisel, en inkommande laserstråle delas i två lika långa armar. Att applicera ett elektriskt fält över den elektrooptiska polymeren i en av armarna ändrar de optiska egenskaperna så att ljusvågen förskjuts något. När de två armarna kommer ihop igen, interferens mellan de modifierade och omodifierade strålarna ändrar styrkan på den blandade utgångsstrålen beroende på graden av fasförskjutning, därigenom kodar data i ljuset.
Genom att använda ett enkelt datasignaleringsschema med bara på och av tillstånd, hastigheter på över 100 Gbit/s uppnåddes, medan en mer komplicerad metod som använder fyra signalnivåer skulle kunna uppnå en hastighet på 200 Gbit/s.
Denna prestanda bibehölls med försumbara förändringar även när enheterna användes över temperaturer från 25 °C till 110 °C och efter att enheterna utsatts för 90 °C värme i 100 timmar, demonstrerar robustheten och stabiliteten hos modulatorerna över ett utomordentligt brett temperaturintervall.
"Stabil drift även när temperaturen fluktuerar upp till 110 °C är underbar, " säger Yokoyama. "Detta temperaturintervall innebär drift i kontrollerade miljöer som datacenter, även vid högre temperaturer än normala, och många tuffa miljöer där temperaturen inte är väl kontrollerad är möjliga."
De nuvarande enheterna är millimeterstora, vilket gör dem relativt stora jämfört med andra mönster, men forskarna undersöker sätt att ytterligare minska fotavtrycket för inkorporering av en tät array av sådana modulatorer i ett litet område.
"Den här typen av prestanda visar hur lovande polymerer är för framtida telekommunikationsteknologier, " konstaterar Yokoyama.
