Un commutateur optique au silicium récemment développé par Sandia National Laboratories est le premier à transmettre jusqu'à 10 gigabits par seconde de données à des températures de quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Le dispositif pourrait permettre la transmission de données pour les ordinateurs supraconducteurs de nouvelle génération qui stockent et traitent les données à des températures cryogéniques. Bien que ces supercalculateurs soient encore expérimentaux, ils pourraient potentiellement offrir des vitesses de calcul dix fois plus rapides que les ordinateurs d'aujourd'hui tout en réduisant considérablement la consommation d'énergie.

Le fait que l'interrupteur fonctionne dans une plage de températures, offre une transmission de données rapide et nécessite peu d'énergie pourrait également le rendre utile pour la transmission de données à partir d'instruments utilisés dans l'espace, où la puissance est limitée et les températures varient considérablement.

« Etablir des connexions électriques avec des systèmes fonctionnant à des températures très froides est très difficile, mais l'optique peut offrir une solution, " a déclaré le chercheur principal Michael Gehl, Laboratoires nationaux Sandia, Nouveau Mexique. "Notre minuscule commutateur permet de transmettre des données hors de l'environnement froid en utilisant la lumière traversant une fibre optique, plutôt que l'électricité."

Dans le journal de la Optical Society pour la recherche à fort impact, Optique , Gehl et ses collègues décrivent leur nouveau modulateur à microdisque en silicium et montrent qu'il peut transmettre des données dans des environnements aussi froids que 4,8 Kelvin. L'appareil a été fabriqué avec des techniques standard utilisées pour fabriquer des puces informatiques CMOS, ce qui signifie qu'il peut être facilement intégré sur des puces contenant des composants électroniques.

"C'est l'un des premiers exemples d'un dispositif optique au silicium actif fonctionnant à une température aussi basse, " a déclaré Gehl. "Notre appareil pourrait potentiellement révolutionner les technologies qui sont limitées par la vitesse à laquelle vous pouvez envoyer des informations dans et hors d'un environnement froid par voie électrique."

L'optique excelle à basse température

Pour les applications à basse température, les méthodes optiques offrent plusieurs avantages par rapport à la transmission de données électriques. Parce que les fils électriques conduisent la chaleur, ils introduisent souvent de la chaleur dans un système qui doit rester froid. Fibres optiques, d'autre part, transmettre presque pas de chaleur. Aussi, une seule fibre optique peut transmettre plus de données à des débits plus rapides qu'un fil électrique, ce qui signifie qu'une fibre peut faire le travail de plusieurs connexions électriques.

Le modulateur à microdisque nécessite très peu d'énergie pour fonctionner - environ 1 000 fois moins d'énergie que les commutateurs électro-optiques disponibles dans le commerce d'aujourd'hui - ce qui permet également de réduire la chaleur que l'appareil contribue à l'environnement froid.

Pour créer le nouvel appareil, les chercheurs ont fabriqué un petit guide d'ondes en silicium (utilisé pour transmettre les ondes lumineuses) à côté d'un micro-disque en silicium de seulement 3,5 microns de diamètre. La lumière venant à travers le guide d'ondes se déplace dans le micro-disque et se déplace autour du disque plutôt que de passer directement à travers le guide d'ondes. L'ajout d'impuretés au micro-disque de silicium crée une jonction électrique à laquelle une tension peut être appliquée. La tension modifie les propriétés du matériau d'une manière qui empêche la lumière de pénétrer dans le disque et lui permet de passer à travers le guide d'ondes. Cela signifie que le signal lumineux s'éteint et s'allume lorsque la tension s'allume et s'éteint, fournissant un moyen de transformer les uns et les zéros qui composent les données électriques en un signal optique.

Bien que d'autres groupes de recherche aient conçu des dispositifs similaires, Gehl et ses collègues sont les premiers à optimiser la quantité d'impuretés utilisées et le placement exact de ces impuretés pour permettre au modulateur à microdisque de fonctionner à basse température. Leur approche pourrait être utilisée pour fabriquer d'autres dispositifs électro-optiques fonctionnant à basse température.

Faible taux d'erreur

Pour tester le modulateur à micro-disques, les chercheurs l'ont placé à l'intérieur d'un cryostat, une petite chambre à vide qui peut refroidir ce qu'il contient à des températures très basses. Le modulateur à microdisque a converti un signal électrique envoyé dans le cryostat en un signal optique. Les chercheurs ont ensuite examiné le signal optique sortant du cryostat pour mesurer à quel point il correspondait aux données électriques entrantes.

Les chercheurs ont fait fonctionner leur appareil à température ambiante, 100 Kelvin et 4,8 Kelvin avec différents débits de données jusqu'à 10 gigabits par seconde. Bien qu'ils aient observé une légère augmentation des erreurs au débit de données le plus élevé et à la température la plus basse, le taux d'erreur était encore suffisamment faible pour que l'appareil soit utile pour la transmission de données.

Ce travail s'appuie sur des années d'efforts pour développer des dispositifs photoniques au silicium pour les applications de communication optique et de calcul haute performance, dirigé par le groupe Applied Photonics Microsystems de Sandia. Comme prochaine étape, les chercheurs veulent démontrer que leur appareil fonctionne avec des données générées dans un environnement à basse température, plutôt que seulement des signaux électriques provenant de l'extérieur du cryostat. Ils continuent également d'optimiser les performances de l'appareil.