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Ein neu in den Sandia National Laboratories entwickelter optischer Siliziumschalter überträgt erstmals Daten mit bis zu 10 Gigabit pro Sekunde bei Temperaturen nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt. Das Gerät könnte die Datenübertragung für supraleitende Computer der nächsten Generation ermöglichen, die Daten bei kryogenen Temperaturen speichern und verarbeiten. Obwohl sich diese Supercomputer noch im experimentellen Stadium befinden, könnten sie potenziell zehnmal höhere Rechengeschwindigkeiten als heutige Computer bieten und gleichzeitig den Stromverbrauch deutlich senken.
Die Tatsache, dass der Schalter in einem Temperaturbereich funktioniert, eine schnelle Datenübertragung ermöglicht und wenig Strom benötigt, könnte ihn auch für die Datenübertragung von Instrumenten im Weltraum nützlich machen, wo die Stromversorgung begrenzt ist und die Temperaturen stark schwanken.
„Elektrische Verbindungen zu Systemen herzustellen, die bei sehr kalten Temperaturen betrieben werden, ist eine große Herausforderung, aber die Optik kann eine Lösung bieten“, sagte der leitende Forscher Michael Gehl von den Sandia National Laboratories in New Mexico. „Unser winziger Schalter ermöglicht die Datenübertragung aus der kalten Umgebung mithilfe von Licht, das durch eine Glasfaser geleitet wird , statt mit Strom.“
In Optica, der Fachzeitschrift für hochwirksame Forschung der Optical Society, beschreiben Gehl und seine Kollegen ihren neuen Silizium-Mikrodisk-Modulator und zeigen, dass dieser Daten in Umgebungen mit Temperaturen von bis zu 4,8 Kelvin übertragen kann. Das Gerät wurde mit Standardtechniken für die Herstellung von CMOS-Computerchips hergestellt und lässt sich daher problemlos in Chips mit elektronischen Komponenten integrieren.
„Dies ist eines der ersten Beispiele für ein optisches Bauteil aus aktivem Silizium, das bei so niedrigen Temperaturen arbeitet“, sagte Gehl. „Unser Bauteil könnte Technologien revolutionieren, deren Grenzen in der Geschwindigkeit der elektrischen Informationsübertragung in und aus einer kalten Umgebung liegen.“
Optik überzeugt bei niedrigen Temperaturen
Bei Niedertemperaturanwendungen bieten optische Methoden gegenüber der elektrischen Datenübertragung mehrere Vorteile. Da elektrische Leitungen Wärme leiten, führen sie oft Wärme in ein System ein, das kühl bleiben muss. Glasfasern hingegen übertragen nahezu keine Wärme. Außerdem kann eine einzelne Glasfaser mehr Daten schneller übertragen als ein elektrisches Kabel, sodass eine Faser die Aufgabe mehrerer elektrischer Verbindungen übernehmen kann.
Der Mikroscheibenmodulator benötigt für den Betrieb nur sehr wenig Strom – etwa 1000-mal weniger als die heute im Handel erhältlichen elektrooptischen Schalter –, was auch dazu beiträgt, die Wärme zu reduzieren, die das Gerät in der kalten Umgebung abgibt.
Für das neue Gerät stellten die Forscher einen kleinen Silizium-Wellenleiter (zur Übertragung von Lichtwellen) neben einer Silizium-Mikroscheibe mit einem Durchmesser von nur 3,5 Mikrometern her. Das durch den Wellenleiter einfallende Licht gelangt in die Mikroscheibe und umläuft diese, anstatt direkt durch den Wellenleiter zu laufen. Durch das Hinzufügen von Verunreinigungen zur Silizium-Mikroscheibe entsteht eine elektrische Verbindung, an die eine Spannung angelegt werden kann. Die Spannung verändert die Materialeigenschaften so, dass das Licht nicht mehr in die Scheibe gelangt, sondern stattdessen den Wellenleiter passieren kann. Das bedeutet, dass das Lichtsignal mit der Spannung an- und ausgeschaltet wird. Dadurch können die Einsen und Nullen, aus denen elektrische Daten bestehen, in ein optisches Signal umgewandelt werden.
Obwohl andere Forschungsgruppen ähnliche Geräte entwickelt haben, sind Gehl und seine Kollegen die ersten, die die Menge der verwendeten Verunreinigungen und deren genaue Platzierung optimieren, um den Mikroscheibenmodulator bei niedrigen Temperaturen arbeiten zu lassen. Ihr Ansatz könnte zur Herstellung anderer elektrooptischer Geräte genutzt werden, die bei niedrigen Temperaturen arbeiten.
Geringe Fehlerquote
Um den Mikroscheibenmodulator zu testen, platzierten die Forscher ihn in einem Kryostaten – einer kleinen Vakuumkammer, die ihren Inhalt auf sehr niedrige Temperaturen kühlen kann. Der Mikroscheibenmodulator wandelte ein in den Kryostaten gesendetes elektrisches Signal in ein optisches Signal um. Anschließend untersuchten die Forscher das aus dem Kryostaten austretende optische Signal, um zu messen, wie gut es mit den eingehenden elektrischen Daten übereinstimmte.
Die Forscher betrieben ihr Gerät bei Raumtemperatur, 100 Kelvin und 4,8 Kelvin mit verschiedenen Datenraten von bis zu 10 Gigabit pro Sekunde. Obwohl sie bei der höchsten Datenrate und der niedrigsten Temperatur einen leichten Anstieg der Fehler beobachteten, war die Fehlerrate immer noch niedrig genug, um das Gerät für die Datenübertragung einzusetzen.
Diese Arbeit basiert auf jahrelangen Bemühungen der Applied Photonics Microsystems Group bei Sandia zur Entwicklung von Silizium-Photonik-Bauelementen für optische Kommunikation und Hochleistungsrechner. Im nächsten Schritt wollen die Forscher zeigen, dass ihr Bauelement mit Daten arbeitet, die in der Tieftemperaturumgebung erzeugt werden, und nicht nur mit elektrischen Signalen von außerhalb des Kryostaten. Sie arbeiten außerdem kontinuierlich an der Leistungsoptimierung des Bauelements.
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