Сверхбыстрые полимерные модуляторы, способные выдерживать тепло

Центры обработки данных могут получить выгоду от более низких затрат на охлаждение, отчасти благодаря сверхбыстрым электрооптическим модуляторам, разработанным исследователями в Японии с использованием полимера, который стабилен даже при температурах, вызывающих кипение воды.

Как сообщается в журнале Nature Communications, гибридные модуляторы кремний-полимер могут передавать 200 гигабит данных в секунду при температуре до 110 ° C и могут обеспечивать чрезвычайно быстрое и надежное соединение оптических данных при высоких температурах, уменьшая потребность в охлаждении и расширение приложений в суровых условиях, таких как крыши домов и автомобили.

Спрос на высокоскоростную передачу данных, например на потоковую передачу мультимедиа высокой четкости, резко вырос в последние годы, и оптическая связь является центральным элементом многих необходимых соединений для передачи данных. Важным компонентом является модулятор, который передает данные о пучке света, проходящем через электрооптический материал, который может изменять свои оптические свойства в ответ на электрическое поле.

В большинстве модуляторов в настоящее время используются неорганические полупроводники или кристаллы в качестве электрооптического материала, но полимеры на органической основе имеют преимущества, заключающиеся в том, что они могут изготавливаться с превосходными электрооптическими свойствами при низких затратах и ​​работать при низких напряжениях.

«Полимеры обладают огромным потенциалом для использования в модуляторах, но для многих промышленных применений все еще необходимо преодолеть проблемы надежности», - объясняет Шиёси Ёкояма, профессор Института химии материалов и инженерии Университета Кюсю и руководитель исследовательского сотрудничества.

Одна из проблем заключается в том, что части молекул в полимерном слое должны быть организованы посредством процесса, называемого полингом, чтобы получить хорошие электрооптические свойства, но эта организация может быть потеряна, когда слой станет достаточно теплым, чтобы начать размягчаться - точка, называемая температура стеклования.

Однако, если модуляторы и другие компоненты могут работать быстро и надежно даже при высоких температурах, центры обработки данных могут работать теплее, тем самым снижая потребление энергии, почти 40% которой в настоящее время, по оценкам, идет на охлаждение.

Используя полимер, который они разработали, чтобы продемонстрировать превосходные электрооптические свойства и высокую температуру стеклования 172 ° C за счет включения соответствующих химических групп, исследовательская группа достигла сверхбыстрой передачи сигналов при повышенных температурах в гибридном модуляторах кремний-полимер на основе конфигурация интерферометра Маха-Цендера, которая менее чувствительна к изменениям температуры, чем некоторые другие архитектуры.

В модуляторах, состоящих из нескольких слоев, включая полимер и кремний, входящий лазерный луч разделяется на два плеча равной длины. Приложение электрического поля к электрооптическому полимеру в одном из плеч изменяет оптические свойства, так что световая волна слегка смещается. Когда два плеча возвращаются вместе, интерференция между модифицированным и немодифицированным лучами изменяет силу смешанного выходного луча в зависимости от величины фазового сдвига, тем самым кодируя данные в свете.

Используя простую схему передачи данных с включенным и выключенным состояниями, была достигнута скорость более 100 Гбит / с, в то время как более сложный метод, использующий четыре уровня сигнала, мог достичь скорости 200 Гбит / с.

Эти характеристики поддерживались с незначительными изменениями даже при эксплуатации устройств в диапазоне температур от 25 ° C до 110 ° C и после нагревания устройств до 90 ° C в течение 100 часов, демонстрируя надежность и стабильность модуляторов в чрезвычайно широком диапазоне. температур.

«Стабильная работа даже при колебаниях температуры до 110 ° C - это замечательно», - говорит Ёкояма. «Этот температурный диапазон означает, что работа в контролируемых средах, таких как центры обработки данных, даже при более высоких, чем обычно, температурах, и во многих суровых условиях, где температура не контролируется должным образом, возможна».

Нынешние устройства имеют миллиметровые размеры, что делает их относительно большими по сравнению с другими конструкциями, но исследователи ищут способы еще больше уменьшить занимаемую площадь для включения плотных массивов таких модуляторов на небольшой площади.

«Такие характеристики показывают, насколько перспективны полимеры для будущих телекоммуникационных технологий», - заявляет Ёкояма.