Forskare säger att en ny upptäckt om ett amerikanskt arméprojekt för optoelektroniska enheter kan hjälpa till att göra optisk fiberkommunikation mer energieffektiv.

University of Pennsylvania, Peking University och Massachusetts Institute of Technology arbetade med ett projekt som finansierades, delvis av Army Research Office, som är en del av US Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory. Forskningen försökte utveckla en ny design av optiska enheter som utstrålar ljus i en enda riktning. Denna ensidiga strålningskanal för ljus kan användas i en mängd olika optoelektroniska applikationer för att minska energiförlust i optiska fibernät och datacenter. Journalen Natur publicerade resultaten.

Ljus tenderar att flöda i optiska fibrer längs en riktning, som vatten rinner genom ett rör. On-chip-kopplingar används för att ansluta fibrer till chips, där ljussignaler genereras, förstärkt, eller upptäckt. Medan det mesta ljuset som går genom kopplingen fortsätter till fibern, en del av ljuset rör sig i motsatt riktning, läcker ut.

En stor del av energiförbrukningen i datatrafik beror på denna strålningsförlust. Den totala energiförbrukningen i datacenter är två procent av det globala elbehovet, och efterfrågan ökar för varje år.

Tidigare studier föreslog konsekvent att en förlust på minst 25 procent vid varje gränssnitt mellan optiska fibrer och chips var en teoretisk övre gräns som inte kunde överskridas. Eftersom datacenter kräver komplexa och sammanvävda nodesystem, att 25-procentig förlust snabbt multipliceras när ljuset färdas genom ett nätverk.

"Du kan behöva skicka fem noder (10 gränssnitt) för att kommunicera med en annan server i ett typiskt medelstort datacenter, vilket leder till en total förlust på 95 procent om du använder befintliga enheter, "sa Jicheng Jin, Doktorand vid University of Pennsylvania. "Faktiskt, extra energi och element behövs för att förstärka och vidarebefordra signalen om och om igen, som introducerar buller, sänker signal-brusförhållandet, och, i sista hand, minskar kommunikationsbandbredden. "

Efter att ha studerat systemet mer i detalj, forskargruppen upptäckte att bryta vänster-höger symmetri i deras enhet kan minska förlusten till noll.

"Dessa spännande resultat har potential att stimulera nya forskningsinvesteringar för armésystem, "sade doktor Michael Gerhold, programansvarig, optoelektronik, Arméns forskningsbyrå. "Kopplingseffektivitetens framsteg har inte bara potential att förbättra datakommunikation för kommersiella datacenter, men resultaten har stor inverkan på fotoniska system där signaler med mycket lägre intensitet kan användas för samma precisionsberäkning, möjliggör batteridrivna fotoniska datorer. "

För att bättre förstå detta fenomen, laget utvecklade en teori baserad på topologiska laddningar. Topologiska laddningar förbjuder strålning i en specifik riktning. För en kopplare med både upp- och vänster-höger symmetri, det finns en laddning på varje sida, förbjuda strålning i vertikal riktning.

"Tänk dig det som tvådelat lim, "sa Bo Zhen, assisterande professor, institutionen för fysik och astronomi vid University of Pennsylvania. "Genom att bryta vänster-höger symmetri, den topologiska laddningen delas upp i två halva laddningar-det tvådelade limet separeras så att varje del kan flyta. Genom att bryta upp-ned-symmetrin, varje del flyter annorlunda på toppen och botten, så det tvådelade limet kombineras endast på botten, eliminera strålning i den riktningen. Det är som att ett läckande rör har fixerats med ett topologiskt tvådelat lim. "

Teamet bestämde sig så småningom för en design med en serie snedställda stänger, som bryter vänster-höger och upp-ned symmetrier samtidigt. För att tillverka sådana strukturer, de utvecklade en ny etsningsmetod:kiselchips placerades på ett killiknande underlag, så att etsning kan ske i en sned vinkel. I jämförelse, standard etsare kan bara skapa vertikala sidoväggar. Som ett framtida steg, teamet hoppas kunna vidareutveckla denna etsningsteknik för att vara kompatibel med befintliga gjuteriprocesser och också komma med en ännu enklare design för etsning.

Författarna förväntar sig tillämpningar både för att hjälpa lättare resor mer effektivt på korta avstånd, t.ex. mellan en optisk fiberkabel och ett chip i en server, och över längre sträckor, till exempel Lidarsystem med lång räckvidd.