Тот факт, что коммутатор работает в диапазоне температур, обеспечивает быструю передачу данных и требует небольшого количества энергии, также может сделать его полезным для передачи данных от приборов, используемых в космосе, где мощность ограничена, а температуры сильно различаются.«Выполнение электрических подключений к системам, работающим при очень низких температурах, очень сложно, но оптика может предложить решение», — сказал ведущий исследователь Майкл Гел из Sandia National Laboratories, Нью-Мексико. «Наш крошечный переключатель позволяет передавать данные из холодного окружения, используя свет, проходящий через оптическое волокно, а не электричество».В журнале оптического общества для исследований с высокой ударной нагрузкой Optica, Gehl и его коллеги описывают свой новый модулятор на кремниевых микродисках и показывают, что он может передавать данные в холодных условиях до 4,8 Кельвина.
Устройство было изготовлено с использованием стандартных технологий, используемых для изготовления компьютерных чипов CMOS, что означает, что его можно легко интегрировать в чипы, содержащие электронные компоненты.«Это один из первых примеров активного кремниевого оптического устройства, работающего при такой низкой температуре», — сказал Гель. «Наше устройство потенциально может революционизировать технологии, которые ограничены тем, насколько быстро вы можете отправлять информацию в холодную среду и из нее электрически».
Оптика отлично работает при низких температурахДля низкотемпературных применений оптические методы имеют несколько преимуществ по сравнению с передачей электрических данных.
Поскольку электрические провода проводят тепло, они часто вводят тепло в систему, которая должна оставаться холодной. С другой стороны, оптические волокна почти не передают тепло. Кроме того, одно оптическое волокно может передавать больше данных с большей скоростью, чем электрический провод, а это означает, что одно волокно может выполнять работу многих электрических соединений.
Модулятор на микродисках требует для работы очень мало энергии — примерно в 1000 раз меньше энергии, чем современные коммерчески доступные электрооптические переключатели, — что также помогает уменьшить тепло, выделяемое устройством в холодную среду.Чтобы создать новое устройство, исследователи изготовили небольшой кремниевый волновод (используемый для передачи световых волн) рядом с кремниевым микродиском диаметром всего 3,5 микрона. Свет, проходящий через волновод, перемещается в микродиск и распространяется вокруг диска, а не проходит прямо через волновод.
Добавление примесей на кремниевый микродиск создает электрический переход, к которому может быть приложено напряжение. Напряжение изменяет свойства материала таким образом, чтобы свет не попадал в диск и вместо этого позволял ему проходить через волновод.
Это означает, что световой сигнал выключается и включается при включении и выключении напряжения, обеспечивая способ превращать единицы и нули, составляющие электрические данные, в оптический сигнал.Хотя другие исследовательские группы разработали аналогичные устройства, Гель и его коллеги первыми оптимизировали количество используемых примесей и точное размещение этих примесей, чтобы модулятор микродисков мог работать при низких температурах. Их подход может быть использован для создания других электрооптических устройств, работающих при низких температурах.
Низкая частота ошибокЧтобы проверить модулятор микродисков, исследователи поместили его в криостат — небольшую вакуумную камеру, которая может охлаждать то, что находится внутри, до очень низких температур.
Модулятор микродисков преобразовал электрический сигнал, отправленный в криостат, в оптический сигнал. Затем исследователи изучили оптический сигнал, исходящий из криостата, чтобы измерить, насколько хорошо он соответствует поступающим электрическим данным.Исследователи использовали свое устройство при комнатной температуре, 100 Кельвин и 4,8 Кельвина с различными скоростями передачи данных до 10 гигабит в секунду.
Хотя они наблюдали небольшое увеличение ошибок при самой высокой скорости передачи данных и самой низкой температуре, частота ошибок все еще была достаточно низкой, чтобы устройство могло использоваться для передачи данных.Эта работа основана на многолетних усилиях по разработке кремниевых фотонных устройств для оптической связи и высокопроизводительных вычислительных приложений, возглавляемых группой Applied Photonics Microsystems в Sandia. В качестве следующего шага исследователи хотят продемонстрировать, что их устройство работает с данными, сгенерированными внутри низкотемпературной среды, а не только с электрическими сигналами, поступающими извне криостата.
Они также продолжают оптимизировать работу устройства.