Un interruptor óptico de silicio desarrollado recientemente en Sandia National Laboratories es el primero en transmitir hasta 10 gigabits por segundo de datos a temperaturas apenas unos pocos grados por encima del cero absoluto. El dispositivo podría permitir la transmisión de datos para computadoras superconductoras de próxima generación que almacenan y procesan datos a temperaturas criogénicas. Aunque estas supercomputadoras todavía son experimentales, potencialmente podrían ofrecer velocidades de computación diez veces más rápidas que las computadoras de hoy, al tiempo que reducen significativamente el uso de energía.

El hecho de que el interruptor funcione en un rango de temperaturas, Ofrece una transmisión de datos rápida y requiere poca energía y también podría ser útil para transmitir datos desde instrumentos utilizados en el espacio. donde la energía es limitada y las temperaturas varían ampliamente.

"Hacer conexiones eléctricas a sistemas que operan a temperaturas muy frías es un gran desafío, pero la óptica puede ofrecer una solución, "dijo el investigador principal Michael Gehl, Laboratorios Nacionales Sandia, Nuevo Mexico. "Nuestro pequeño interruptor permite que los datos se transmitan fuera del ambiente frío utilizando luz que viaja a través de una fibra óptica, en lugar de electricidad ".

En la revista de The Optical Society para investigaciones de alto impacto, Optica , Gehl y sus colegas describen su nuevo modulador de microdiscos de silicio y muestran que puede transmitir datos en entornos tan fríos como 4.8 Kelvin. El dispositivo fue fabricado con técnicas estándar utilizadas para hacer chips de computadora CMOS, lo que significa que se puede integrar fácilmente en chips que contienen componentes electrónicos.

"Este es uno de los primeros ejemplos de un dispositivo óptico de silicio activo que funciona a una temperatura tan baja, ", dijo Gehl." Nuestro dispositivo podría revolucionar las tecnologías que están limitadas por la rapidez con la que se puede enviar información dentro y fuera de un ambiente frío eléctricamente ".

La óptica sobresale a bajas temperaturas

Para aplicaciones de baja temperatura, Los métodos ópticos proporcionan varios beneficios sobre la transmisión de datos eléctricos. Debido a que los cables eléctricos conducen el calor, a menudo introducen calor en un sistema que necesita mantenerse frío. Fibras ópticas, por otra parte, casi no transmite calor. También, una sola fibra óptica puede transmitir más datos a velocidades más rápidas que un cable eléctrico, lo que significa que una fibra puede hacer el trabajo de muchas conexiones eléctricas.

El modulador de microdiscos requiere muy poca energía para funcionar, alrededor de 1000 veces menos que los interruptores electroópticos disponibles comercialmente en la actualidad, lo que también ayuda a reducir el calor que el dispositivo aporta al ambiente frío.

Para hacer el nuevo dispositivo, los investigadores fabricaron una pequeña guía de ondas de silicio (utilizada para transmitir ondas de luz) junto a un micro-disco de silicio de sólo 3,5 micrones de diámetro. La luz que llega a través de la guía de ondas se mueve hacia el micro-disco y viaja alrededor del disco en lugar de pasar directamente a través de la guía de ondas. La adición de impurezas al micro-disco de silicio crea una unión eléctrica a la que se puede aplicar un voltaje. El voltaje cambia las propiedades del material de una manera que impide que la luz se mueva hacia el disco y le permite pasar a través de la guía de ondas. Esto significa que la señal luminosa se apaga y enciende cuando el voltaje se enciende y apaga, proporcionando una forma de convertir los unos y los ceros que componen los datos eléctricos en una señal óptica.

Aunque otros grupos de investigación han diseñado dispositivos similares, Gehl y sus colegas son los primeros en optimizar la cantidad de impurezas utilizadas y la ubicación exacta de esas impurezas para permitir que el modulador de microdiscos funcione a bajas temperaturas. Su enfoque podría usarse para fabricar otros dispositivos electroópticos que funcionen a bajas temperaturas.

Tasa de error baja

Para probar el modulador de microdiscos, los investigadores lo colocaron dentro de un criostato, una pequeña cámara de vacío que puede enfriar el interior a temperaturas muy bajas. El modulador de microdiscos convirtió una señal eléctrica enviada al criostato en una señal óptica. Luego, los investigadores examinaron la señal óptica que sale del criostato para medir qué tan bien coincidía con los datos eléctricos entrantes.

Los investigadores operaron su dispositivo a temperatura ambiente, 100 Kelvin y 4.8 Kelvin con varias velocidades de datos de hasta 10 gigabits por segundo. Aunque observaron un ligero aumento en los errores a la velocidad de datos más alta y a la temperatura más baja, la tasa de error seguía siendo lo suficientemente baja como para que el dispositivo fuera útil para transmitir datos.

Este trabajo se basa en años de esfuerzo para desarrollar dispositivos fotónicos de silicio para comunicaciones ópticas y aplicaciones informáticas de alto rendimiento. liderado por el grupo Applied Photonics Microsystems en Sandia. Como siguiente paso, los investigadores quieren demostrar que su dispositivo funciona con datos generados dentro del entorno de baja temperatura, en lugar de solo señales eléctricas provenientes del exterior del criostato. También continúan optimizando el rendimiento del dispositivo.