Los investigadores dicen que un nuevo descubrimiento en un proyecto del Ejército de los EE. UU. Para dispositivos optoelectrónicos podría ayudar a que las comunicaciones de fibra óptica sean más eficientes energéticamente.
La Universidad de Pensilvania, la Universidad de Pekín y el Instituto de Tecnología de Massachusetts trabajaron en un proyecto financiado, en parte por la Oficina de Investigación del Ejército, que es un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los EE. UU. La investigación buscó desarrollar un nuevodiseño de dispositivos ópticos que irradian luz en una sola dirección. Este canal de radiación unilateral para la luz se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones optoelectrónicas para reducir la pérdida de energía en redes de fibra óptica y centros de datos. Naturaleza publicó los hallazgos.
La luz tiende a fluir en fibras ópticas a lo largo de una dirección, como el agua fluye a través de una tubería. Los acopladores en chip se utilizan para conectar fibras a chips, donde se generan, amplifican o detectan señales de luz. Mientras la mayoría de la luz atraviesa el acopladorcontinúa a través de la fibra, parte de la luz viaja en la dirección opuesta, goteando.
Una gran parte del consumo de energía en el tráfico de datos se debe a esta pérdida de radiación. El consumo total de energía del centro de datos es el dos por ciento de la demanda mundial de electricidad, y la demanda aumenta cada año.
Estudios previos sugirieron consistentemente que una pérdida mínima del 25 por ciento en cada interfaz entre fibras ópticas y chips era un límite superior teórico que no podía ser superado. Debido a que los centros de datos requieren sistemas de nodos complejos e interconectados, esa pérdida del 25 por ciento se multiplica rápidamentemientras la luz viaja a través de una red
"Es posible que necesite pasar cinco nodos 10 interfaces para comunicarse con otro servidor en un centro de datos típico de tamaño mediano, lo que lleva a una pérdida total del 95 por ciento si usa dispositivos existentes", dijo Jicheng Jin, Universidad de Pennsylvaniaestudiante de doctorado: "De hecho, se necesitan energía y elementos adicionales para amplificar y transmitir la señal una y otra vez, lo que introduce ruido, reduce la relación señal / ruido y, en última instancia, reduce el ancho de banda de comunicación".
Después de estudiar el sistema con más detalle, el equipo de investigación descubrió que romper la simetría izquierda-derecha en su dispositivo podría reducir la pérdida a cero.
"Estos resultados emocionantes tienen el potencial de estimular nuevas inversiones en investigación para los sistemas del Ejército", dijo el Dr. Michael Gerhold, gerente de programa, optoelectrónica, Oficina de Investigación del Ejército. "No solo los avances en eficiencia de acoplamiento tienen el potencial de mejorar las comunicaciones de datos para fines comercialescentros de datos, pero los resultados tienen un gran impacto para los sistemas fotónicos donde se pueden usar señales de intensidad mucho más baja para el mismo cálculo de precisión, lo que hace posible las computadoras fotónicas alimentadas por batería ".
Para comprender mejor este fenómeno, el equipo desarrolló una teoría basada en las cargas topológicas. Las cargas topológicas prohíben la radiación en una dirección específica. Para un acoplador con simetrías arriba-abajo e izquierda-derecha, hay una carga en cada lado, lo que prohíbeLa radiación en la dirección vertical.
"Imagínelo como un pegamento de dos partes", dijo Bo Zhen, profesor asistente, departamento de física y astronomía de la Universidad de Pensilvania. "Al romper la simetría izquierda-derecha, la carga topológica se divide en dos medias cargas: lael pegamento de dos partes se separa para que cada parte pueda fluir. Al romper la simetría de arriba hacia abajo, cada parte fluye de manera diferente en la parte superior e inferior, por lo que el pegamento de dos partes se combina solo en la parte inferior, eliminando la radiación en esa dirección.como si una tubería con fugas se hubiera reparado con un pegamento topológico de dos partes "
El equipo finalmente se decidió por un diseño con una serie de barras inclinadas, que rompen las simetrías izquierda-derecha y arriba-abajo al mismo tiempo. Para fabricar tales estructuras, desarrollaron un nuevo método de grabado: se colocaron chips de silicio en una cuñasimilar al sustrato, lo que permite que el grabado se produzca en un ángulo inclinado. En comparación, los grabadores estándar solo pueden crear paredes laterales verticales. Como un paso futuro, el equipo espera desarrollar aún más esta técnica de grabado para ser compatible con los procesos de fundición existentes y también para venircon un diseño aún más simple para el grabado.
Los autores esperan aplicaciones tanto para ayudar a que la luz viaje de manera más eficiente a distancias cortas, como entre un cable de fibra óptica y un chip en un servidor, y a distancias más largas, como los sistemas Lidar de largo alcance.
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Materiales proporcionado por Laboratorio de investigación del ejército de EE. UU. . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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