Um switch ótico de silício recentemente desenvolvido no Sandia National Laboratories é o primeiro a transmitir até 10 gigabits por segundo de dados em temperaturas apenas alguns graus acima do zero absoluto. O dispositivo pode permitir a transmissão de dados para computadores supercondutores de próxima geração que armazenam e processam dados em temperaturas criogênicas. Embora esses supercomputadores ainda sejam experimentais, eles podem oferecer velocidades de computação dez vezes mais rápidas do que os computadores atuais, ao mesmo tempo que reduzem significativamente o uso de energia.

O fato de o interruptor operar em uma faixa de temperaturas, oferece transmissão de dados rápida e requer pouca energia também pode ser útil para a transmissão de dados de instrumentos usados ​​no espaço, onde a energia é limitada e as temperaturas variam amplamente.

"Fazer conexões elétricas para sistemas que operam em temperaturas muito frias é muito desafiador, mas a ótica pode oferecer uma solução, "disse o pesquisador principal Michael Gehl, Sandia National Laboratories, Novo México. "Nosso minúsculo switch permite que os dados sejam transmitidos para fora do ambiente frio usando a luz que viaja através de uma fibra óptica, em vez de eletricidade. "

No jornal da The Optical Society para pesquisas de alto impacto, Optica , Gehl e seus colegas descrevem seu novo modulador de microdisco de silício e mostram que ele pode transmitir dados em ambientes tão frios quanto 4,8 Kelvin. O dispositivo foi fabricado com técnicas padrão usadas para fazer chips de computador CMOS, o que significa que pode ser facilmente integrado em chips contendo componentes eletrônicos.

"Este é um dos primeiros exemplos de um dispositivo óptico de silício ativo operando em uma temperatura tão baixa, "disse Gehl." Nosso dispositivo pode revolucionar tecnologias que são limitadas pela rapidez com que você pode enviar informações para dentro e para fora eletricamente de um ambiente frio. "

Óptica se destaca em baixas temperaturas

Para aplicações de baixa temperatura, os métodos ópticos fornecem vários benefícios sobre a transmissão de dados elétricos. Porque os fios elétricos conduzem calor, eles geralmente introduzem calor em um sistema que precisa permanecer frio. Fibras ópticas, por outro lado, transmitir quase nenhum calor. Também, uma única fibra óptica pode transmitir mais dados a taxas mais rápidas do que um fio elétrico, o que significa que uma fibra pode fazer o trabalho de muitas conexões elétricas.

O modulador de microdisco requer muito pouca energia para operar - cerca de 1000 vezes menos energia do que os interruptores eletro-ópticos atualmente disponíveis no mercado - o que também ajuda a reduzir o calor que o dispositivo contribui para o ambiente frio.

Para fazer o novo dispositivo, os pesquisadores fabricaram um pequeno guia de ondas de silício (usado para transmitir ondas de luz) próximo a um microdisco de silício com apenas 3,5 mícrons de diâmetro. A luz que passa pelo guia de ondas se move para o microdisco e viaja ao redor do disco, em vez de passar direto pelo guia de ondas. Adicionar impurezas ao microdisco de silício cria uma junção elétrica à qual uma voltagem pode ser aplicada. A voltagem muda as propriedades do material de uma forma que impede a luz de se mover para o disco e permite que ela passe pelo guia de ondas. Isso significa que o sinal de luz liga e desliga conforme a voltagem liga e desliga, fornecendo uma maneira de transformar os uns e zeros que compõem os dados elétricos em um sinal óptico.

Embora outros grupos de pesquisa tenham projetado dispositivos semelhantes, Gehl e seus colegas são os primeiros a otimizar a quantidade de impurezas usadas e a colocação exata dessas impurezas para permitir que o modulador de microdisco opere em baixas temperaturas. Sua abordagem poderia ser usada para fazer outros dispositivos eletro-ópticos que funcionassem em baixas temperaturas.

Baixa taxa de erro

Para testar o modulador de microdisco, os pesquisadores o colocaram dentro de um criostato - uma pequena câmara de vácuo que pode resfriar o que está dentro a temperaturas muito baixas. O modulador de microdisco converteu um sinal elétrico enviado para o criostato em um sinal óptico. Os pesquisadores então examinaram o sinal óptico que saía do criostato para medir o quão bem ele correspondia aos dados elétricos recebidos.

Os pesquisadores operaram seu dispositivo em temperatura ambiente, 100 Kelvin e 4,8 Kelvin com várias taxas de dados de até 10 gigabits por segundo. Embora tenham observado um ligeiro aumento nos erros na taxa de dados mais alta e na temperatura mais baixa, a taxa de erro ainda era baixa o suficiente para que o dispositivo fosse útil para a transmissão de dados.

Este trabalho se baseia em anos de esforços para desenvolver dispositivos fotônicos de silício para comunicação óptica e aplicações de computação de alto desempenho, liderado pelo grupo Applied Photonics Microsystems em Sandia. Como uma próxima etapa, os pesquisadores querem demonstrar que seu dispositivo funciona com dados gerados dentro do ambiente de baixa temperatura, em vez de apenas sinais elétricos vindos de fora do criostato. Eles também continuam a otimizar o desempenho do dispositivo.