Nyt design kan gøre fiberkommunikation mere energieffektiv

Forskere siger, at en ny opdagelse på et amerikansk hærprojekt for optoelektroniske enheder kan hjælpe med at gøre optisk fiberkommunikation mere energieffektiv.

University of Pennsylvania, Peking University og Massachusetts Institute of Technology arbejdede på et projekt finansieret, dels af Hærens Forskningskontor, som er en del af U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory. Forskningen søgte at udvikle et nyt design af optiske enheder, der udstråler lys i en enkelt retning. Denne enkeltsidede strålingskanal til lys kan bruges i en bred vifte af optoelektroniske applikationer for at reducere energitab i optiske fibernetværk og datacentre. Journalen Natur offentliggjort resultaterne.

Lys har en tendens til at flyde i optiske fibre i én retning, som vand strømmer gennem et rør. On-chip koblere bruges til at forbinde fibre til chips, hvor lyssignaler genereres, forstærket, eller opdaget. Mens det meste lys, der går gennem koblingen, fortsætter igennem til fiberen, noget af lyset bevæger sig i den modsatte retning, siver ud.

En stor del af energiforbruget i datatrafik skyldes dette strålingstab. Det samlede energiforbrug til datacentre er to procent af det globale elbehov, og efterspørgslen stiger hvert år.

Tidligere undersøgelser antydede konsekvent, at et minimumstab på 25 procent ved hver grænseflade mellem optiske fibre og chips var en teoretisk øvre grænse, som ikke kunne overgås. Fordi datacentre kræver komplekse og sammenvævede systemer af noder, at tab på 25 procent hurtigt multipliceres, når lyset rejser gennem et netværk.

"Du skal muligvis passere fem noder (10 grænseflader) for at kommunikere med en anden server i et typisk mellemstort datacenter, hvilket fører til et samlet tab på 95 procent, hvis du bruger eksisterende enheder, " sagde Jicheng Jin, Ph.d.-studerende ved University of Pennsylvania. "Faktisk, ekstra energi og elementer er nødvendige for at forstærke og videresende signalet igen og igen, som introducerer støj, sænker signal-til-støj-forholdet, og, ultimativt, reducerer kommunikationsbåndbredden."

Efter at have studeret systemet mere detaljeret, forskerholdet opdagede, at brud på venstre-højre symmetri i deres enhed kunne reducere tabet til nul.

"Disse spændende resultater har potentialet til at anspore til nye forskningsinvesteringer i hærens systemer, " sagde Dr. Michael Gerhold, programleder, optoelektronik, Hærens forskningskontor. "Ikke kun har fremskridt i koblingseffektivitet potentiale til at forbedre datakommunikationen til kommercielle datacentre, men resultaterne har enorm betydning for fotoniske systemer, hvor meget lavere intensitetssignaler kan bruges til den samme præcisionsberegning, gør batteridrevne fotoniske computere mulige."

For bedre at forstå dette fænomen, holdet udviklede en teori baseret på topologiske ladninger. Topologiske ladninger forbyder stråling i en bestemt retning. For en kobling med både op-ned og venstre-højre symmetri, der er en ladning på hver side, forbyder strålingen i lodret retning.

"Forestil dig det som todelt lim, " sagde Bo Zhen, Assisterende professor, afdeling for fysik og astronomi ved University of Pennsylvania. "Ved at bryde venstre-højre symmetri, den topologiske ladning opdeles i to halve ladninger - den todelte lim er adskilt, så hver del kan flyde. Ved at bryde op-ned symmetrien, hver del flyder forskelligt på toppen og bunden, så den todelte lim kombineres kun på bunden, eliminerer stråling i den retning. Det er som om et utæt rør er blevet fikset med en topologisk todelt lim."

Holdet besluttede sig til sidst på et design med en række skrå stænger, som bryder venstre-højre og op-ned symmetrier på samme tid. For at fremstille sådanne strukturer, de udviklede en ny ætsningsmetode:siliciumchips blev placeret på et kilelignende substrat, tillader ætsning at ske i en skrå vinkel. Sammenlignet med, standardætsere kan kun skabe lodrette sidevægge. Som et fremtidigt skridt, teamet håber at videreudvikle denne ætsningsteknik til at være kompatibel med eksisterende støbeprocesser og også at komme med et endnu enklere design til ætsning.

Forfatterne forventer anvendelser både til at hjælpe lys med at rejse mere effektivt på korte afstande, mellem et optisk fiberkabel og en chip i en server, og over længere afstande, såsom langrækkende Lidar-systemer.