Onderzoekers zeggen dat een nieuwe ontdekking van een project van het Amerikaanse leger voor opto-elektronische apparaten kan helpen om glasvezelcommunicatie energiezuiniger te maken.

De Universiteit van Pennsylvania, Peking University en Massachusetts Institute of Technology werkten aan een project gefinancierd, gedeeltelijk door het Legeronderzoeksbureau, dat een onderdeel is van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command. Het onderzoek was gericht op de ontwikkeling van een nieuw ontwerp van optische apparaten die licht in één richting uitstralen. Dit enkelzijdige stralingskanaal voor licht kan worden gebruikt in een breed scala aan opto-elektronische toepassingen om energieverlies in glasvezelnetwerken en datacenters te verminderen. Het journaal Natuur de bevindingen gepubliceerd.

Licht heeft de neiging om in optische vezels in één richting te stromen, zoals water door een pijp stroomt. On-chip-koppelingen worden gebruikt om vezels met chips te verbinden, waar lichtsignalen worden gegenereerd, versterkt, of gedetecteerd. Terwijl het meeste licht dat door de koppeling gaat, doorgaat naar de vezel, een deel van het licht reist in de tegenovergestelde richting, uitlekken.

Een groot deel van het energieverbruik in het dataverkeer wordt veroorzaakt door dit stralingsverlies. Het totale energieverbruik van datacenters is twee procent van de wereldwijde elektriciteitsvraag, en de vraag neemt elk jaar toe.

Eerdere studies suggereerden consequent dat een minimaal verlies van 25 procent op elk grensvlak tussen optische vezels en chips een theoretische bovengrens was die niet kon worden overtroffen. Omdat datacenters complexe en verweven systemen van knooppunten nodig hebben, dat verlies van 25 procent vermenigvuldigt zich snel als licht door een netwerk reist.

"Misschien moet u vijf nodes (10 interfaces) passeren om te communiceren met een andere server in een typisch middelgroot datacenter, wat leidt tot een totaal verlies van 95 procent als u bestaande apparaten gebruikt, " zei Jicheng Jin, Doctoraatsstudent aan de Universiteit van Pennsylvania. "In feite, er zijn extra energie en elementen nodig om het signaal keer op keer te versterken en door te geven, die geluid introduceert, verlaagt de signaal-ruisverhouding, en, uiteindelijk, vermindert de communicatiebandbreedte."

Na het systeem nader te hebben bestudeerd, het onderzoeksteam ontdekte dat het doorbreken van de links-rechts-symmetrie in hun apparaat het verlies tot nul zou kunnen verminderen.

"Deze opwindende resultaten hebben het potentieel om nieuwe onderzoeksinvesteringen voor legersystemen te stimuleren, " zei Dr. Michael Gerhold, programma manager, opto-elektronica, Onderzoeksbureau van het leger. "Niet alleen hebben de verbeteringen in de efficiëntie van de koppeling het potentieel om de datacommunicatie voor commerciële datacenters te verbeteren, maar de resultaten hebben een enorme impact voor fotonische systemen waar signalen met een veel lagere intensiteit kunnen worden gebruikt voor dezelfde precisieberekening, het mogelijk maken van fotonische computers op batterijen."

Om dit fenomeen beter te begrijpen, het team ontwikkelde een theorie op basis van topologische ladingen. Topologische ladingen verbieden straling in een bepaalde richting. Voor een koppelaar met zowel omhoog-omlaag als links-rechts symmetrie, er is één lading aan elke kant, verbiedt de straling in de verticale richting.

"Stel je het voor als tweecomponentenlijm, " zei Bo Zhen, assistent professor, afdeling natuurkunde en sterrenkunde aan de Universiteit van Pennsylvania. "Door de links-rechts symmetrie te doorbreken, de topologische lading wordt gesplitst in twee halve ladingen - de tweedelige lijm wordt gescheiden zodat elk deel kan vloeien. Door de up-down symmetrie te doorbreken, elk deel stroomt anders aan de boven- en onderkant, dus de tweecomponentenlijm combineert alleen aan de onderkant, straling in die richting elimineren. Het is alsof een lekkende leiding is gefixeerd met een topologische tweecomponentenlijm."

Het team koos uiteindelijk voor een ontwerp met een reeks schuine staven, die tegelijkertijd links-rechts en op-omlaag-symmetrieën doorbreken. Om dergelijke constructies te fabriceren, ontwikkelden ze een nieuwe etsmethode:siliciumchips werden op een wigvormig substraat geplaatst, waardoor etsen onder een schuine hoek kan plaatsvinden. In vergelijking, standaard etsers kunnen alleen verticale zijwanden maken. Als toekomstige stap, het team hoopt deze etstechniek verder te ontwikkelen om compatibel te zijn met bestaande gietprocessen en ook om met een nog eenvoudiger ontwerp voor etsen te komen.

De auteurs verwachten toepassingen, zowel om het licht efficiënter te laten reizen op korte afstanden, zoals tussen een glasvezelkabel en een chip in een server, en over langere afstanden, zoals Lidar-systemen met een groot bereik.