Forme d'onda dei dati trasmessi a 200 Gbit/s utilizzando un modulatore ibrido-polimero in grado di operare a temperature fino a 110 °C. I segnali possono assumere uno dei quattro diversi livelli che corrispondono a due bit ciascuno, con conseguente tre fori nei segnali di sovrapposizione. Credito:Università di Kyushu
I data center potrebbero beneficiare di costi di raffreddamento inferiori grazie in parte ai modulatori elettro-ottici ultraveloci sviluppati da ricercatori in Giappone utilizzando un polimero stabile anche a temperature che farebbero bollire l'acqua.
Segnalato sul giornale Comunicazioni sulla natura , i modulatori ibridi silicio-polimero possono trasmettere 200 gigabit di dati al secondo fino a 110 °C e potrebbero consentire interconnessioni ottiche di dati estremamente veloci e affidabili ad alte temperature, riducendo la necessità di raffreddamento e ampliando le applicazioni in ambienti difficili come tetti e automobili.
La domanda di trasmissione dati ad alta velocità, come per lo streaming multimediale ad alta definizione, è esplosa negli ultimi anni, e le comunicazioni ottiche sono fondamentali per molte delle connessioni dati necessarie. Un componente critico è il modulatore, che mette i dati su un raggio di luce che passa attraverso un materiale elettro-ottico che può cambiare le sue proprietà ottiche in risposta a un campo elettrico.
La maggior parte dei modulatori attualmente utilizza semiconduttori o cristalli inorganici come materiale elettro-ottico, ma i polimeri a base organica hanno il vantaggio di poter essere fabbricati con eccellenti proprietà elettro-ottiche a basso costo e funzionare a basse tensioni.
"I polimeri hanno un grande potenziale per l'uso nei modulatori, ma i problemi di affidabilità devono ancora essere superati per molte applicazioni industriali, " spiega Shiyoshi Yokoyama, professore dell'Institute for Materials Chemistry and Engineering dell'Università di Kyushu e leader della collaborazione di ricerca.
Una sfida è che parti delle molecole nello strato polimerico devono essere organizzate attraverso un processo chiamato poling per ottenere buone proprietà elettro-ottiche, ma questa organizzazione può essere persa quando lo strato diventa abbastanza caldo da iniziare ad ammorbidirsi, un punto indicato come temperatura di transizione vetrosa.
Però, se i modulatori e gli altri componenti possono funzionare in modo rapido e affidabile anche a temperature elevate, i datacenter potrebbero essere più caldi, riducendo così il loro consumo di energia, di cui si stima attualmente che circa il 40% andrà al raffreddamento.
Il modulatore ibrido silicio-polimero visto qui come un sottile, black strip è stato sviluppato da ricercatori in Giappone e può trasmettere dati a 200 Gbit/s a temperature fino a 110 °C. I modulatori in grado di funzionare rapidamente a temperature così elevate potrebbero ridurre le richieste di raffreddamento nei data center e sbloccare applicazioni in ambienti difficili, ambienti poco controllati come automobili, aeroplani, e tetti. Credito:Shiyoshi Yokoyama, Università di Kyushu
Impiegando un polimero progettato per esibire eccellenti proprietà elettro-ottiche e un'elevata temperatura di transizione vetrosa di 172 ° C attraverso l'incorporazione di gruppi chimici appropriati, il team di ricerca ha ottenuto una segnalazione ultraveloce a temperature elevate in un modulatore ibrido silicio-polimero basato su una configurazione di interferometro Mach-Zehnder, che è meno sensibile alle variazioni di temperatura rispetto ad altre architetture.
Nei modulatori, composto da più strati tra cui il polimero e il silicio, un raggio laser in arrivo viene diviso in due bracci di uguale lunghezza. L'applicazione di un campo elettrico attraverso il polimero elettro-ottico in uno dei bracci modifica le proprietà ottiche in modo tale che l'onda luminosa si sposti leggermente. Quando le due braccia tornano insieme, l'interferenza tra i raggi modificati e non modificati cambia la forza del raggio di uscita misto a seconda della quantità di sfasamento, codificando così i dati nella luce.
Utilizzando un semplice schema di segnalazione dei dati di soli stati on e off, sono state raggiunte velocità superiori a 100 Gbit/s, mentre un metodo più complicato che utilizza quattro livelli di segnale potrebbe raggiungere una velocità di 200 Gbit/s.
Questa prestazione è stata mantenuta con variazioni trascurabili anche durante il funzionamento dei dispositivi a temperature comprese tra 25 °C e 110 °C e dopo aver sottoposto i dispositivi a un calore di 90 °C per 100 ore, dimostrando la robustezza e la stabilità dei modulatori in un intervallo di temperature straordinariamente ampio.
"Un funzionamento stabile anche quando la temperatura oscilla fino a 110 °C è meraviglioso, " afferma Yokoyama. "Questo intervallo di temperatura significa funzionamento in ambienti controllati come datacenter, anche a temperature superiori alla norma, e molti ambienti difficili in cui la temperatura non è ben controllata è possibile."
Gli attuali dispositivi sono di dimensioni millimetriche, rendendoli relativamente grandi rispetto ad altri design, ma i ricercatori stanno cercando modi per ridurre ulteriormente l'ingombro per l'incorporazione di una fitta schiera di tali modulatori in una piccola area.
"Questo tipo di prestazioni mostra quanto siano promettenti i polimeri per le future tecnologie di telecomunicazione, "Afferma Yokoyama.
