Un commutateur électro-optique transmet des données à des températures record

Le fait que le commutateur fonctionne à une gamme 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.

« Réaliser des connexions électriques avec des systèmes fonctionnant à des températures très froides est un véritable défi, mais l'optique peut offrir une solution », a déclaré Michael Gehl, chercheur principal aux Laboratoires nationaux de Sandia, au Nouveau-Mexique. « Notre minuscule commutateur permet de transmettre des données hors de l'environnement froid grâce à la lumière traversant une fibre optique, plutôt qu'à l'électricité. »

Dans Optica , la revue de recherche à fort impact de l'Optical Society  , Gehl et ses collègues décrivent leur nouveau modulateur à microdisque de silicium et démontrent qu'il peut transmettre des données dans des environnements aussi froids que 4,8 Kelvin. Le dispositif a été fabriqué selon les techniques standard utilisées pour la fabrication de puces informatiques CMOS, ce qui signifie qu'il peut être facilement intégré à des puces contenant des composants électroniques.

« Il s'agit de l'un des premiers exemples d'un dispositif optique actif au silicium fonctionnant à une température aussi basse », a déclaré Gehl. « Notre dispositif pourrait potentiellement révolutionner les technologies limitées par la vitesse de transmission électrique des informations dans un environnement froid. »

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. Les fibres optiques, en revanche, ne transmettent quasiment pas de chaleur. De plus, une seule fibre optique peut transmettre davantage de données à des débits plus élevés qu'un fil électrique, ce qui signifie qu'une seule fibre peut assurer 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 aujourd'hui - ce qui contribue également à réduire la chaleur que l'appareil contribue à l'environnement froid.

Pour fabriquer ce nouveau dispositif, les chercheurs ont fabriqué un petit guide d'ondes en silicium (utilisé pour transmettre les ondes lumineuses) à côté d'un microdisque de silicium de seulement 3,5 microns de diamètre. La lumière traversant le guide d'ondes pénètre dans le microdisque et le contourne au lieu de le traverser directement. L'ajout d'impuretés au microdisque de silicium crée une jonction électrique à laquelle une tension peut être appliquée. Cette tension modifie les propriétés du matériau de manière à empêcher la lumière de pénétrer dans le disque et à lui permettre de traverser le guide d'ondes. Ainsi, le signal lumineux s'allume et s'éteint en même temps que la tension, ce qui permet de transformer les uns et les zéros qui composent les données électriques en 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 leur positionnement précis 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 microdisque, les chercheurs l'ont placé dans un cryostat – une petite chambre à vide capable de refroidir son contenu à très basse température. Le modulateur à microdisque a converti un signal électrique envoyé au cryostat en signal optique. Les chercheurs ont ensuite examiné le signal optique sortant du cryostat pour mesurer sa correspondance avec les données électriques entrantes.

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

Ces travaux s'appuient sur des années de travail pour développer des dispositifs photoniques sur silicium destinés aux communications optiques et aux applications de calcul haute performance, sous la direction du groupe Microsystèmes photoniques appliqués de Sandia. Dans une prochaine étape, les chercheurs souhaitent démontrer que leur dispositif fonctionne avec des données générées à basse température, plutôt qu'avec des signaux électriques provenant uniquement de l'extérieur du cryostat. Ils continuent également d'optimiser les performances du dispositif.