I ricercatori finanziati dall'esercito hanno sviluppato un nuovo design di dispositivi ottici che potrebbero contribuire a rendere le comunicazioni in fibra ottica più efficienti dal punto di vista energetico. Credito:Università della Pennsylvania
I ricercatori affermano che una nuova scoperta su un progetto dell'esercito americano per dispositivi optoelettronici potrebbe aiutare a rendere le comunicazioni in fibra ottica più efficienti dal punto di vista energetico.
L'Università della Pennsylvania, L'Università di Pechino e il Massachusetts Institute of Technology hanno lavorato a un progetto finanziato, in parte dall'Ufficio Ricerche dell'Esercito, che è un elemento del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti. La ricerca ha cercato di sviluppare un nuovo design di dispositivi ottici che irradiano la luce in un'unica direzione. Questo canale di radiazione unilaterale per la luce può essere utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni optoelettroniche per ridurre la perdita di energia nelle reti in fibra ottica e nei data center. Il giornale Natura pubblicato i risultati.
La luce tende a fluire nelle fibre ottiche lungo una direzione, come l'acqua scorre attraverso un tubo. Gli accoppiatori su chip vengono utilizzati per collegare le fibre ai chip, dove vengono generati segnali luminosi, amplificato, o rilevato. Mentre la maggior parte della luce che passa attraverso l'accoppiatore continua attraverso la fibra, parte della luce viaggia nella direzione opposta, fuoriuscita.
Gran parte del consumo di energia nel traffico dati è dovuto a questa perdita di radiazioni. Il consumo energetico totale del data center è il due percento della domanda globale di elettricità, e la domanda aumenta ogni anno.
L'Università della Pennsylvania, L'Università di Pechino e il Massachusetts Institute of Technology hanno lavorato a un progetto, finanziato in parte dall'esercito degli Stati Uniti che ha sviluppato un nuovo design di dispositivi ottici che irradiano la luce in un'unica direzione. Credito:Università della Pennsylvania
Precedenti studi suggerivano costantemente che una perdita minima del 25% in corrispondenza di ciascuna interfaccia tra fibre ottiche e chip fosse un limite superiore teorico che non poteva essere superato. Poiché i data center richiedono sistemi di nodi complessi e intrecciati, quella perdita del 25% si moltiplica rapidamente mentre la luce viaggia attraverso una rete.
"Potrebbe essere necessario passare cinque nodi (10 interfacce) per comunicare con un altro server in un tipico data center di medie dimensioni, portando a una perdita totale del 95% se si utilizzano dispositivi esistenti, " disse Jicheng Jin, Studente di dottorato dell'Università della Pennsylvania. "Infatti, sono necessari energia ed elementi extra per amplificare e trasmettere il segnale ancora e ancora, che introduce rumore, abbassa il rapporto segnale-rumore, e, in definitiva, riduce la larghezza di banda della comunicazione."
Dopo aver studiato il sistema in modo più dettagliato, il team di ricerca ha scoperto che rompere la simmetria sinistra-destra nel loro dispositivo potrebbe ridurre la perdita a zero.
"Questi risultati entusiasmanti hanno il potenziale per stimolare nuovi investimenti di ricerca per i sistemi dell'esercito, " ha detto il dottor Michael Gerhold, responsabile del programma, optoelettronica, Ufficio di ricerca dell'esercito. "Non solo i progressi nell'efficienza dell'accoppiamento hanno il potenziale per migliorare la comunicazione dei dati per i data center commerciali, ma i risultati hanno un impatto enorme per i sistemi fotonici in cui segnali di intensità molto più bassa possono essere utilizzati per lo stesso calcolo di precisione, rendendo possibili computer fotonici alimentati a batteria."
Dopo aver studiato il sistema in modo più dettagliato, il team di ricerca ha scoperto che rompere la simmetria sinistra-destra nel loro dispositivo potrebbe ridurre a zero la perdita di energia nelle reti in fibra ottica e nei data center. Credito:Università della Pennsylvania
Per comprendere meglio questo fenomeno, il team ha sviluppato una teoria basata su cariche topologiche. Le cariche topologiche impediscono la radiazione in una direzione specifica. Per un accoppiatore con simmetrie sia alto-basso che sinistra-destra, c'è una carica su ogni lato, impedendo la radiazione in direzione verticale.
"Immaginalo come colla in due parti, " ha detto Bo Zhen, professore assistente, dipartimento di fisica e astronomia dell'Università della Pennsylvania. "Rompere la simmetria sinistra-destra, la carica topologica è divisa in due mezze cariche:la colla in due parti è separata in modo che ciascuna parte possa fluire. Rompendo la simmetria up-down, ogni parte scorre in modo diverso in alto e in basso, quindi la colla in due parti si combina solo sul fondo, eliminando le radiazioni in quella direzione. È come se un tubo che perde fosse stato riparato con una colla topologica in due parti".
Il team alla fine ha optato per un progetto con una serie di barre inclinate, che rompono contemporaneamente le simmetrie sinistra-destra e su-giù. Per fabbricare tali strutture, hanno sviluppato un nuovo metodo di incisione:i chip di silicio sono stati posizionati su un substrato simile a un cuneo, permettendo che l'incisione avvenga con un angolo inclinato. In confronto, gli incisori standard possono creare solo pareti laterali verticali. Come passo futuro, il team spera di sviluppare ulteriormente questa tecnica di incisione per renderla compatibile con i processi di fonderia esistenti e anche per ottenere un design ancora più semplice per l'incisione.
Gli autori si aspettano applicazioni sia nell'aiutare la luce a viaggiare in modo più efficiente a brevi distanze, come tra un cavo in fibra ottica e un chip in un server, e su lunghe distanze, come i sistemi Lidar a lungo raggio.
