En kiseloptisk switch som nyligen utvecklats vid Sandia National Laboratories är den första som överför upp till 10 gigabit per sekund data vid temperaturer bara några grader över den absoluta nollan. Enheten kan möjliggöra dataöverföring för nästa generations supraledande datorer som lagrar och bearbetar data vid kryogena temperaturer. Även om dessa superdatorer fortfarande är experimentella, de kan eventuellt erbjuda datahastigheter tio gånger snabbare än dagens datorer samtidigt som energiförbrukningen minskar avsevärt.

Det faktum att omkopplaren fungerar vid ett temperaturintervall, erbjuder snabb dataöverföring och kräver lite ström kan också göra den användbar för överföring av data från instrument som används i rymden, där strömmen är begränsad och temperaturen varierar kraftigt.

"Att göra elektriska anslutningar till system som arbetar vid mycket kalla temperaturer är mycket utmanande, men optik kan erbjuda en lösning, "sade forskaren Michael Gehl, Sandia National Laboratories, New Mexico. "Vår lilla switch gör att data kan överföras från den kalla miljön med hjälp av ljus som rör sig genom en optisk fiber, snarare än el. "

I The Optical Society's journal for high impact research, Optica , Gehl och hans kollegor beskriver sin nya kiselmikrodiskmodulator och visar att den kan överföra data i så kalla miljöer som 4,8 Kelvin. Enheten tillverkades med standardtekniker som används för att göra CMOS -datorchips, vilket innebär att den enkelt kan integreras på chips som innehåller elektroniska komponenter.

"Detta är ett av de första exemplen på en aktiv kiseloptisk enhet som arbetar vid så låg temperatur, "sa Gehl." Vår enhet kan potentiellt revolutionera teknik som begränsas av hur snabbt du kan skicka information in och ut ur en kall miljö elektriskt. "

Optik utmärker sig vid låga temperaturer

För applikationer med låg temperatur, optiska metoder ger flera fördelar jämfört med elektrisk dataöverföring. Eftersom elektriska ledningar leder värme, de introducerar ofta värme i ett system som måste förbli kallt. Optiska fibrer, å andra sidan, överför nästan ingen värme. Också, en enda optisk fiber kan överföra mer data med snabbare hastigheter än en elektrisk ledning, vilket betyder att en fiber kan göra jobbet med många elektriska anslutningar.

Mikrodiskmodulatorn kräver mycket lite ström för att fungera-cirka 1000 gånger mindre ström än dagens kommersiellt tillgängliga elektro-optiska switchar-vilket också hjälper till att minska värmen som enheten bidrar till den kalla miljön.

För att göra den nya enheten, forskarna tillverkade en liten kiselvågledare (som används för att överföra ljusvågor) bredvid en kisel-mikrodisk med endast 3,5 mikron i diameter. Ljus som kommer genom vågledaren rör sig in i mikrodisken och rör sig runt skivan snarare än att passera rakt genom vågledaren. Att lägga till föroreningar till kisel-mikrodisken skapar en elektrisk förbindning som en spänning kan appliceras på. Spänningen ändrar materialets egenskaper på ett sätt som hindrar ljuset från att röra sig in i skivan och låter det istället passera genom vågledaren. Det betyder att ljussignalen slås av och på när spänningen slås på och av, ger ett sätt att göra enor och nollor som utgör elektriska data till en optisk signal.

Även om andra forskargrupper har utformat liknande enheter, Gehl och hans kollegor är de första som optimerar mängden föroreningar som används och den exakta placeringen av dessa föroreningar så att mikrodiskmodulatorn fungerar vid låga temperaturer. Deras tillvägagångssätt kan användas för att göra andra elektrooptiska enheter som fungerar vid låga temperaturer.

Låg felprocent

För att testa mikrodiskmodulatorn, forskarna placerade den inuti en kryostat - en liten vakuumkammare som kan kyla vad som är inuti till mycket låga temperaturer. Mikrodiskmodulatorn konverterade en elektrisk signal som skickades in i kryostaten till en optisk signal. Forskarna undersökte sedan den optiska signalen som kom ut från kryostaten för att mäta hur väl den matchade inkommande elektriska data.

Forskarna använde sin enhet vid rumstemperatur, 100 Kelvin och 4,8 Kelvin med olika datahastigheter upp till 10 gigabit per sekund. Även om de observerade en liten ökning av fel vid den högsta datahastigheten och lägsta temperaturen, felfrekvensen var fortfarande tillräckligt låg för att enheten skulle vara användbar för överföring av data.

Detta arbete bygger på mångåriga ansträngningar för att utveckla fotoniska kiselanordningar för optisk kommunikation och högpresterande dataprogram, leds av gruppen Applied Photonics Microsystems på Sandia. Som ett nästa steg, forskarna vill visa att deras enhet fungerar med data som genereras inuti lågtemperaturmiljön, snarare än bara elektriska signaler som kommer utanför kryostaten. De fortsätter också att optimera enhetens prestanda.