Formes d'onde de données transmises à 200 Gbit/s à l'aide d'un modulateur hybride-polymère capable de fonctionner à des températures allant jusqu'à 110 °C. Les signaux peuvent prendre l'un des quatre niveaux différents qui correspondent chacun à deux bits, résultant en trois trous dans les signaux qui se chevauchent. Crédit :Université de Kyushu
Les centres de données pourraient bénéficier de coûts de refroidissement inférieurs grâce en partie aux modulateurs électro-optiques ultra-rapides développés par des chercheurs japonais utilisant un polymère stable même à des températures pouvant faire bouillir de l'eau.
Rapporté dans le journal Communication Nature , les modulateurs hybrides silicium-polymère peuvent transmettre 200 gigabits de données par seconde jusqu'à 110 °C et pourraient permettre des interconnexions optiques de données à la fois extrêmement rapides et fiables à haute température, réduire le besoin de refroidissement et étendre les applications dans des environnements difficiles comme les toits et les voitures.
La demande de transmission de données à haute vitesse telle que le streaming multimédia haute définition a explosé ces dernières années, et les communications optiques sont au cœur de bon nombre des connexions de données nécessaires. Un composant critique est le modulateur, qui met des données sur un faisceau de lumière traversant un matériau électro-optique qui peut changer ses propriétés optiques en réponse à un champ électrique.
La plupart des modulateurs utilisent actuellement des semi-conducteurs inorganiques ou des cristaux comme matériau électro-optique, mais les polymères à base organique ont l'avantage de pouvoir être fabriqués avec d'excellentes propriétés électro-optiques à faible coût et de fonctionner à basse tension.
"Les polymères ont un grand potentiel d'utilisation dans les modulateurs, mais les problèmes de fiabilité doivent encore être surmontés pour de nombreuses applications industrielles, " explique Shiyoshi Yokoyama, professeur de l'Institut de chimie et d'ingénierie des matériaux de l'Université de Kyushu et chef de la collaboration de recherche.
Un défi est que des parties des molécules dans la couche de polymère doivent être organisées par un processus appelé polarisation pour obtenir de bonnes propriétés électro-optiques, mais cette organisation peut être perdue lorsque la couche devient suffisamment chaude pour commencer à se ramollir, un point appelé température de transition vitreuse.
Cependant, si les modulateurs et autres composants peuvent fonctionner rapidement et de manière fiable même à des températures élevées, les centres de données pourraient chauffer plus, réduisant ainsi leur consommation d'énergie, dont près de 40 % sont actuellement estimés pour le refroidissement.
Le modulateur hybride silicium-polymère vu ici comme un La bande noire a été développée par des chercheurs au Japon et peut transmettre des données à 200 Gbit/s à des températures allant jusqu'à 110 °C. Des modulateurs capables de fonctionner rapidement à des températures aussi élevées pourraient réduire les demandes de refroidissement dans les centres de données et débloquer des applications dans des environnements difficiles, environnements mal contrôlés tels que les voitures, avions, et les toits. Crédit :Shiyoshi Yokoyama, Université de Kyushu
Utilisant un polymère qu'ils ont conçu pour présenter de superbes propriétés électro-optiques et une température de transition vitreuse élevée de 172 ° C grâce à l'incorporation de groupes chimiques appropriés, l'équipe de recherche a réalisé une signalisation ultra-rapide à des températures élevées dans un modulateur hybride silicium-polymère basé sur une configuration d'interféromètre de Mach-Zehnder, qui est moins sensible aux changements de température que certaines autres architectures.
Dans les modulateurs, composé de plusieurs couches dont le polymère et le silicium, un faisceau laser entrant est divisé en deux bras de longueur égale. L'application d'un champ électrique à travers le polymère électro-optique dans l'un des bras modifie les propriétés optiques de sorte que l'onde lumineuse se déplace légèrement. Quand les deux bras se rejoignent, l'interférence entre les faisceaux modifiés et non modifiés modifie l'intensité du faisceau de sortie mixte en fonction de la quantité de déphasage, codant ainsi les données à la lumière.
En utilisant un schéma de signalisation de données simple d'états activés et désactivés, des débits supérieurs à 100 Gbit/s ont été atteints, tandis qu'une méthode plus compliquée utilisant quatre niveaux de signal pourrait atteindre un débit de 200 Gbit/s.
Cette performance a été maintenue avec des changements négligeables même lors du fonctionnement des appareils à des températures allant de 25 °C à 110 °C et après avoir soumis les appareils à une chaleur de 90 °C pendant 100 heures, démontrant la robustesse et la stabilité des modulateurs sur une plage de températures extraordinairement large.
"Un fonctionnement stable même lorsque la température fluctue jusqu'à 110 °C est merveilleux, " explique Yokoyama. " Cette plage de température signifie un fonctionnement dans des environnements contrôlés tels que les centres de données, même à des températures supérieures à la normale, et de nombreux environnements difficiles où la température n'est pas bien contrôlée est possible."
Les appareils actuels sont de taille millimétrique, ce qui les rend relativement grands par rapport à d'autres conceptions, mais les chercheurs cherchent des moyens de réduire davantage l'empreinte pour l'incorporation d'un réseau dense de ces modulateurs dans une petite zone.
« Ce genre de performance montre à quel point les polymères sont prometteurs pour les futures technologies de télécommunications, " déclare Yokoyama.
