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Um comutador óptico de silício recentemente desenvolvido nos Laboratórios Nacionais de Sandia é o primeiro a transmitir até 10 gigabits por segundo de dados a temperaturas apenas alguns graus acima do zero absoluto. O dispositivo pode permitir a transmissão de dados para computadores supercondutores de próxima geração, que armazenam e processam dados em temperaturas criogênicas. Embora esses supercomputadores ainda sejam experimentais, eles podem oferecer velocidades de computação dez vezes mais rápidas do que os computadores atuais, reduzindo significativamente o consumo de energia.
O fato de o switch operar em uma variedade de temperaturas, oferecer rápida transmissão de dados e exigir pouca energia também pode torná-lo útil para transmitir dados de instrumentos usados no espaço, onde a energia é limitada e as temperaturas variam muito.
"Fazer conexões elétricas com sistemas que operam em temperaturas muito baixas é muito desafiador, mas a óptica pode oferecer uma solução", disse o pesquisador principal Michael Gehl, do Laboratório Nacional Sandia, Novo México. "Nosso pequeno interruptor permite que dados sejam transmitidos para fora do ambiente frio usando luz que viaja através de uma fibra óptica , em vez de eletricidade."
Na revista da The Optical Society para pesquisas de alto impacto, Optica, Gehl e seus colegas descrevem seu novo modulador de microdisco de silício e demonstram que ele pode transmitir dados em ambientes com temperaturas tão baixas quanto 4,8 Kelvin. O dispositivo foi fabricado com técnicas padrão usadas na fabricação de chips de computador CMOS, o que significa que pode ser facilmente integrado a chips que contêm componentes eletrônicos.
"Este é um dos primeiros exemplos de um dispositivo óptico de silício ativo operando a uma temperatura tão baixa", disse Gehl. "Nosso dispositivo tem o potencial de revolucionar tecnologias que são limitadas pela velocidade com que se pode enviar informações de e para um ambiente frio eletricamente."
A óptica se destaca em baixas temperaturas
Para aplicações de baixa temperatura, os métodos ópticos oferecem diversas vantagens em relação à transmissão elétrica de dados. Como os fios elétricos conduzem calor, eles frequentemente introduzem calor em um sistema que precisa permanecer frio. As fibras ópticas, por outro lado, transmitem quase nenhum calor. Além disso, uma única fibra óptica pode transmitir mais dados a taxas mais rápidas do que um fio elétrico, o que significa que uma única fibra pode realizar a função de muitas conexões elétricas.
O modulador de microdisco requer muito pouca energia para operar — cerca de 1.000 vezes menos energia do que os interruptores eletro-ópticos disponíveis comercialmente — o que também ajuda a reduzir o calor que o dispositivo contribui para o ambiente frio.
Para criar o novo dispositivo, os pesquisadores fabricaram um pequeno guia de ondas de silício (usado para transmitir ondas de luz) próximo a um microdisco de silício com apenas 3,5 mícrons de diâmetro. A luz que passa pelo guia de ondas se move para dentro do microdisco e viaja ao redor do disco, em vez de passar diretamente pelo guia de ondas. Adicionar impurezas ao microdisco de silício cria uma junção elétrica à qual uma voltagem pode ser aplicada. A voltagem altera as propriedades do material de forma que impede a luz de se mover para o disco e permite que ela passe pelo guia de ondas. Isso significa que o sinal de luz liga e desliga conforme a voltagem liga e desliga, fornecendo uma maneira de transformar os uns e zeros que compõem os dados elétricos em um sinal óptico.
Embora outros grupos de pesquisa tenham projetado dispositivos semelhantes, Gehl e seus colegas são os primeiros a otimizar a quantidade de impurezas utilizadas e o posicionamento exato dessas impurezas para permitir que o modulador de microdisco opere em baixas temperaturas. Sua abordagem poderia ser usada para criar outros dispositivos eletro-ópticos que funcionem em baixas temperaturas.
Baixa taxa de erro
Para testar o modulador de microdisco, os pesquisadores o colocaram dentro de um criostato — uma pequena câmara de vácuo capaz de resfriar o conteúdo a temperaturas muito baixas. O modulador de microdisco converteu um sinal elétrico enviado ao criostato em um sinal óptico. Os pesquisadores então examinaram o sinal óptico que saía do criostato para medir sua correspondência com os dados elétricos recebidos.
Os pesquisadores operaram o dispositivo em temperatura ambiente, 100 Kelvin e 4,8 Kelvin, com diferentes taxas de dados, de até 10 gigabits por segundo. Embora tenham observado um ligeiro aumento nos erros na maior taxa de dados e na menor temperatura, a taxa de erro ainda foi baixa o suficiente para que o dispositivo fosse útil na transmissão de dados.
Este trabalho se baseia em anos de esforços para desenvolver dispositivos fotônicos de silício para comunicação óptica e aplicações de computação de alto desempenho, liderados pelo grupo de Microsistemas de Fotônica Aplicada em Sandia. Como próximo passo, os pesquisadores querem demonstrar que seu dispositivo funciona com dados gerados dentro do ambiente de baixa temperatura, em vez de apenas sinais elétricos vindos de fora do criostato. Eles também continuam a otimizar o desempenho do dispositivo.
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