Los investigadores dicen que un nuevo descubrimiento en un proyecto del Ejército de EE. UU. Para dispositivos optoelectrónicos podría ayudar a que las comunicaciones por 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 EE. UU. La investigación buscó desarrollar un nuevo diseño de dispositivos ópticos que irradian luz en una sola dirección. Este canal de radiación de un solo lado 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. El periódico Naturaleza publicó los hallazgos.

La luz tiende a fluir en fibras ópticas a lo largo de una dirección, como el agua fluye por una tubería. Los acopladores en chip se utilizan para conectar fibras a chips, donde se generan señales de luz, amplificado, o detectado. Si bien la mayor parte de la luz que atraviesa el acoplador continúa a través de la fibra, parte de la luz viaja en la dirección opuesta, escape.

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 anteriores sugirieron consistentemente que una pérdida mínima del 25 por ciento en cada interfaz entre las fibras ópticas y los chips era un límite superior teórico que no podía superarse. Dado que los centros de datos requieren sistemas de nodos complejos e interconectados, esa pérdida del 25 por ciento se multiplica rápidamente a medida que la luz viaja a través de una red.

"Es posible que deba 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, Estudiante de doctorado de la Universidad de Pennsylvania. "De hecho, Se necesitan elementos y energía extra para amplificar y transmitir la señal una y otra vez, que introduce ruido, reduce la relación señal-ruido, y, por último, 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 emocionantes resultados tienen el potencial de estimular nuevas inversiones en investigación para los sistemas del Ejército, "dijo el Dr. Michael Gerhold, director del programa, optoelectrónica, Oficina de Investigación del Ejército. "Los avances en la eficiencia del acoplamiento no solo tienen potencial para mejorar las comunicaciones de datos para los centros de datos comerciales, pero los resultados tienen un gran impacto para los sistemas fotónicos donde se pueden usar señales de mucha menor intensidad para el mismo cálculo de precisión, haciendo posible las computadoras fotónicas alimentadas por baterías ".

Para comprender mejor este fenómeno, el equipo desarrolló una teoría basada en 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, prohibiendo la radiación en la dirección vertical.

"Imagínelo como pegamento de dos partes, "dijo Bo Zhen, profesor asistente, Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Pennsylvania. "Al romper la simetría izquierda-derecha, la carga topológica se divide en dos medias cargas:el pegamento de dos partes se separa para que cada parte pueda fluir. Rompiendo 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. Es como si una tubería con fugas hubiera sido reparada 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 un sustrato en forma de cuña, permitiendo que el grabado se produzca en un ángulo inclinado. En comparación, Los grabadores estándar solo pueden crear paredes laterales verticales. Como paso futuro, el equipo espera desarrollar aún más esta técnica de grabado para que sea compatible con los procesos de fundición existentes y también para llegar a un diseño aún más simple para el grabado.

Los autores esperan aplicaciones que ayuden a la luz a viajar de manera más eficiente a distancias cortas, como entre un cable de fibra óptica y un chip en un servidor, y en distancias más largas, como los sistemas Lidar de largo alcance.