打破光电器件中的左右对称性，实现更节能的光纤通信

时间：2021-09-24 19:52:21 来源：

由军方资助的研究人员开发了一种新的光学设备设计，可以帮助使光纤通信更加节能。

研究人员说，美国陆军光电设备项目的一项新发现可能有助于使光纤通信更加节能。

宾夕法尼亚大学，北京大学和麻省理工学院共同研究了一个项目，该项目部分由美国陆军作战能力发展司令部的陆军研究实验室组成的陆军研究办公室资助。该研究试图开发一种新的光学设备设计，该设计可以在单个方向上辐射光。这种用于光的单面辐射通道可用于各种光电应用中，以减少光纤网络和数据中心中的能量损耗。《自然》杂志发表了研究结果。

光倾向于沿着一个方向在光纤中流动，就像水流过管道一样。片上耦合器用于将光纤连接到芯片，在芯片上生成，放大或检测光信号。当大部分通过耦合器的光继续穿过光纤时，一些光以相反的方向传播，并泄漏出去。

宾夕法尼亚大学，北京大学和麻省理工学院共同研究了一个项目，该项目由美国陆军提供部分资金，该项目开发了一种新设计的光学设备，该设备可以单向辐射光。

数据流量中的能源消耗很大一部分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％，并且需求每年都在增加。

先前的研究一致地认为，在光纤和芯片之间的每个接口处的最小损耗为25％，这是无法超越的理论上限。由于数据中心需要复杂且交织的节点系统，因此25％的损耗会随着光通过网络的传播而迅速成倍增长。

“您可能需要传递五个节点（10个接口）才能与典型的中型数据中心中的另一台服务器进行通信，如果使用现有设备，则总损失为95％，”宾夕法尼亚大学的博士生Jinchengcheng说。“实际上，需要额外的能量和元件来一次又一次地放大和中继信号，这会引入噪声，降低信噪比，并最终减少通信带宽。”

在对系统进行了更详细的研究之后，研究团队发现打破设备中左右对称性可以将损耗降至零。

“这些令人振奋的结果有可能刺激陆军系统的新研究投资，”陆军研究办公室光电项目经理Michael Gerhold博士说。“耦合效率的提高不仅有潜力改善商业数据中心的数据通信，而且其结果对光子系统产生了巨大影响，在光子系统中，强度更低的信号可以用于相同的精度计算，从而使电池供电的光子计算机成为可能。”

在对系统进行了更详细的研究之后，研究小组发现，打破设备的左右对称性可以将光纤网络和数据中心的能量损耗降低到零。

为了更好地理解这种现象，研究小组开发了一种基于拓扑电荷的理论。拓扑电荷禁止向特定方向辐射。对于同时具有上下对称性和左右对称性的耦合器，每侧都有一个电荷，从而禁止了垂直方向的辐射。

宾夕法尼亚大学物理与天文学系助理教授博震说：“把它想象成两部分的胶水。”“通过破坏左右对称性，拓扑电荷被分成两个半电荷–两部分胶被分离，因此每个部分都可以流动。通过打破上下对称性，每个部分在顶部和底部的流动都不同，因此，由两部分组成的胶水仅在底部结合，从而消除了该方向的辐射。就像泄漏的管道已经用两部分拓扑胶固定了。”

团队最终选择了带有一系列倾斜杆的设计，这些杆同时打破了左右对称性。为了制造这种结构，他们开发了一种新颖的蚀刻方法：将硅芯片放在楔形的基板上，以倾斜的角度进行蚀刻。相比之下，标准蚀刻机只能创建垂直侧壁。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，并提出更简单的蚀刻设计。

作者期望这些应用程序既可以帮助光在短距离内更有效地传播，例如在光纤电缆和服务器中的芯片之间，又可以在更长的距离（例如远程激光雷达系统）上更有效地传播。

参考：尹雪凡，金继成，MarinSoljačić，Chao Peng和Bo Zhen于2020年4月22日在Nature上发表的“拓扑启用的单向引导共振的观测”。
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以及北京大学的HPCP的资助。

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