Uno switch ottico al silicio di nuova concezione presso i Sandia National Laboratories è il primo a trasmettere fino a 10 gigabit al secondo di dati a temperature di pochi gradi sopra lo zero assoluto. Il dispositivo potrebbe consentire la trasmissione di dati per computer superconduttori di prossima generazione che memorizzano ed elaborano dati a temperature criogeniche. Sebbene questi supercomputer siano ancora sperimentali, potrebbero potenzialmente offrire velocità di elaborazione dieci volte superiori rispetto ai computer di oggi, riducendo significativamente il consumo di energia.

Il fatto che l'interruttore funzioni a una gamma di temperature, offre una trasmissione dati veloce e richiede poca potenza potrebbe renderlo utile anche per la trasmissione di dati da strumenti utilizzati nello spazio, dove la potenza è limitata e le temperature variano ampiamente.

"Effettuare collegamenti elettrici a sistemi che funzionano a temperature molto basse è molto impegnativo, ma l'ottica può offrire una soluzione, " ha affermato il ricercatore capo Michael Gehl, Laboratori Nazionali Sandia, Nuovo Messico. "Il nostro minuscolo interruttore consente la trasmissione dei dati fuori dall'ambiente freddo utilizzando la luce che viaggia attraverso una fibra ottica, piuttosto che l'elettricità».

Nella rivista The Optical Society per la ricerca ad alto impatto, ottica , Gehl e i suoi colleghi descrivono il loro nuovo modulatore di micro-dischi al silicio e mostrano che può trasmettere dati in ambienti freddi fino a 4,8 Kelvin. Il dispositivo è stato fabbricato con tecniche standard utilizzate per realizzare chip per computer CMOS, il che significa che può essere facilmente integrato su chip contenenti componenti elettronici.

"Questo è uno dei primi esempi di un dispositivo ottico al silicio attivo che opera a una temperatura così bassa, " ha detto Gehl. "Il nostro dispositivo potrebbe potenzialmente rivoluzionare le tecnologie che sono limitate dalla velocità con cui è possibile inviare le informazioni all'interno e all'esterno di un ambiente freddo elettricamente".

L'ottica eccelle alle basse temperature

Per applicazioni a bassa temperatura, i metodi ottici offrono numerosi vantaggi rispetto alla trasmissione dati elettrica. Poiché i cavi elettrici conducono il calore, spesso introducono calore in un sistema che deve rimanere freddo. Fibre ottiche, d'altra parte, trasmettere quasi nessun calore. Anche, una singola fibra ottica può trasmettere più dati a velocità maggiori di un cavo elettrico, il che significa che una fibra può svolgere il lavoro di molti collegamenti elettrici.

Il modulatore a microdisco richiede pochissima energia per funzionare, circa 1000 volte meno rispetto agli interruttori elettro-ottici attualmente disponibili in commercio, il che aiuta anche a ridurre il calore che il dispositivo contribuisce all'ambiente freddo.

Per realizzare il nuovo dispositivo, i ricercatori hanno fabbricato una piccola guida d'onda di silicio (usata per trasmettere onde luminose) accanto a un micro-disco di silicio di soli 3,5 micron di diametro. La luce che arriva attraverso la guida d'onda si sposta nel micro-disco e viaggia intorno al disco invece di passare direttamente attraverso la guida d'onda. L'aggiunta di impurità al microdisco di silicio crea una giunzione elettrica alla quale può essere applicata una tensione. La tensione modifica le proprietà del materiale in modo tale da impedire alla luce di spostarsi nel disco e permetterle invece di passare attraverso la guida d'onda. Ciò significa che il segnale luminoso si spegne e si accende quando la tensione si accende e si spegne, fornendo un modo per trasformare gli uni e gli zeri che costituiscono i dati elettrici in un segnale ottico.

Sebbene altri gruppi di ricerca abbiano progettato dispositivi simili, Gehl ei suoi colleghi sono i primi a ottimizzare la quantità di impurità utilizzate e l'esatto posizionamento di tali impurità per consentire al modulatore a microdisco di funzionare a basse temperature. Il loro approccio potrebbe essere utilizzato per realizzare altri dispositivi elettro-ottici che funzionano a basse temperature.

Tasso di errore basso

Per testare il modulatore a microdisco, i ricercatori lo hanno posizionato all'interno di un criostato, una piccola camera a vuoto che può raffreddare il contenuto a temperature molto basse. Il modulatore a microdisco ha convertito un segnale elettrico inviato al criostato in un segnale ottico. I ricercatori hanno quindi esaminato il segnale ottico in uscita dal criostato per misurare quanto bene corrispondesse ai dati elettrici in entrata.

I ricercatori hanno utilizzato il loro dispositivo a temperatura ambiente, 100 Kelvin e 4,8 Kelvin con varie velocità di trasmissione dati fino a 10 gigabit al secondo. Sebbene abbiano osservato un leggero aumento degli errori alla massima velocità di trasmissione dati e alla temperatura più bassa, il tasso di errore era ancora sufficientemente basso da consentire al dispositivo di essere utile per la trasmissione dei dati.

Questo lavoro si basa su anni di sforzi per sviluppare dispositivi fotonici al silicio per la comunicazione ottica e applicazioni di calcolo ad alte prestazioni, guidato dal gruppo Applied Photonics Microsystems di Sandia. Come passo successivo, i ricercatori vogliono dimostrare che il loro dispositivo funziona con i dati generati all'interno dell'ambiente a bassa temperatura, piuttosto che solo segnali elettrici provenienti dall'esterno del criostato. Stanno anche continuando a ottimizzare le prestazioni del dispositivo.