打破光电子器件的左右对称,实现更节能的光纤通信

时间:2020-05-07 21:15 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

打破光电子器件的左右对称,实现更节能的光纤通信

研究人员表示,美国陆军光电设备项目的一项新发现可能有助于提高光纤通信的能效。

宾夕法尼亚大学、北京大学和麻省理工学院参与了一个由陆军研究办公室资助的项目,该办公室是美国陆军作战能力发展指挥部陆军研究实验室的一个组成部分。这项研究试图开发一种光器件的新设计,使光向一个方向辐射。这种单面光辐射通道可广泛应用于光电子领域,以减少光纤网络和数据中心的能量损耗。《自然》杂志发表了这项发现。

光倾向于沿着一个方向在光纤中流动,就像水流经管道一样。片上耦合器用于将光纤连接到芯片上,在芯片上产生、放大或检测光信号。当大多数光通过耦合器继续通过光纤时,一些光向相反的方向传播,泄漏出去。

打破光电子器件的左右对称,实现更节能的光纤通信

数据传输中的很大一部分能量消耗是由于这种辐射损耗造成的。数据中心的总能耗占全球电力需求的2%,而且需求每年都在增长。

先前的研究一致认为,在光纤和芯片之间的每个接口上至少损失25%,这是一个无法超越的理论上的上限。由于数据中心需要复杂和相互交织的节点系统,当光通过网络时,25%的损失会迅速增加。

在一个典型的中型数据中心中,您可能需要传递5个节点(10个接口)来与另一个服务器进行通信,如果使用现有设备,将导致95%的总损失。宾夕法尼亚大学博士生金吉成说。事实上,需要额外的能量和元件来一次又一次地放大和传递信号,这就引入了噪声,降低了信噪比,最终降低了通信带宽。

在对该系统进行了更详细的研究之后,研究团队发现,打破设备的左右对称可以将损耗降低到零。

这些令人兴奋的结果有可能刺激对陆军系统的新研究投资。美国陆军研究办公室光电项目经理迈克尔·格霍尔德博士说。耦合效率的提高不仅有可能改善商业数据中心的数据通信,而且其结果对光子系统也有巨大的影响,因为在光子系统中,可以用低得多的强度信号进行同样精确的计算,使电池供电的光子计算机成为可能。

打破光电子器件的左右对称,实现更节能的光纤通信

为了更好地理解这一现象,研究小组开发了一种基于拓扑电荷的理论。拓扑电荷禁止特定方向的辐射。对于一个上下对称和左右对称的耦合器,每一边都有一个电荷,禁止垂直方向的辐射。

把它想象成两部分胶,宾夕法尼亚大学物理与天文系助理教授波振说。通过打破左右对称,拓扑电荷被分成两个半电荷。两部分的胶水是分开的,这样每个部分都可以流动。通过打破上下对称,每个部分在顶部和底部流动不同,所以两部分胶只在底部结合,消除了那个方向的辐射。它就像一个漏水的管子,已经用拓扑两部分胶水固定好了。

该团队最终确定了一个设计方案,设计中使用了一系列倾斜的线条,同时打破了左右和上下的对称。为了制造这样的结构,他们开发了一种新的蚀刻方法:硅片被放置在楔形的衬底上,允许以倾斜的角度进行蚀刻。相比之下,标准的蚀刻器只能创建垂直的侧壁。作为未来的一步,该团队希望进一步开发这种蚀刻技术,使其与现有的铸造工艺兼容,并提出一种更简单的蚀刻设计。

这组作者希望这些应用既能帮助光在短距离(如光纤电缆和服务器中的芯片之间)更有效地传输,也能帮助光在长距离(如远程激光雷达系统)传输。

拓扑支持的单向引导谐振的观察尹学凡、金吉成、马林·苏加269;我和263;赵鹏和波真,2020年4月22日,《自然》。

DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 2181 - 4

该项目还获得了空军研究实验室、麻省理工学院林肯实验室、中国自然科学基金会和北京大学HPCP的资助。

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