Des chercheurs financés par l'armée ont développé une nouvelle conception de dispositifs optiques qui pourraient aider à rendre les communications par fibre optique plus économes en énergie. Crédit :Université de Pennsylvanie
Les chercheurs affirment qu'une nouvelle découverte sur un projet de l'armée américaine pour les dispositifs optoélectroniques pourrait aider à rendre les communications par fibre optique plus économes en énergie.
L'Université de Pennsylvanie, L'Université de Pékin et le Massachusetts Institute of Technology ont travaillé sur un projet financé, en partie par le bureau de recherche de l'armée, qui est un élément du laboratoire de recherche de l'armée du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine. La recherche visait à développer une nouvelle conception de dispositifs optiques qui émettent de la lumière dans une seule direction. Ce canal de rayonnement unilatéral pour la lumière peut être utilisé dans un large éventail d'applications optoélectroniques pour réduire les pertes d'énergie dans les réseaux de fibres optiques et les centres de données. Le journal La nature publié les conclusions.
La lumière a tendance à circuler dans les fibres optiques dans une direction, comme l'eau coule dans un tuyau. Les coupleurs sur puce sont utilisés pour connecter les fibres aux puces, où des signaux lumineux sont générés, amplifié, ou détecté. Alors que la majeure partie de la lumière traversant le coupleur continue jusqu'à la fibre, une partie de la lumière voyage dans la direction opposée, fuire.
Une grande partie de la consommation d'énergie dans le trafic de données est due à cette perte de rayonnement. La consommation totale d'énergie des centres de données représente 2% de la demande mondiale d'électricité, et la demande augmente chaque année.
L'Université de Pennsylvanie, L'Université de Pékin et le Massachusetts Institute of Technology ont travaillé sur un projet, financé en partie par l'armée américaine qui a développé une nouvelle conception de dispositifs optiques qui émettent de la lumière dans une seule direction. Crédit :Université de Pennsylvanie
Des études antérieures ont systématiquement suggéré qu'une perte minimale de 25 % à chaque interface entre les fibres optiques et les puces était une limite supérieure théorique qui ne pouvait pas être dépassée. Étant donné que les centres de données nécessitent des systèmes de nœuds complexes et imbriqués, cette perte de 25 % se multiplie rapidement à mesure que la lumière traverse un réseau.
"Vous devrez peut-être passer cinq nœuds (10 interfaces) pour communiquer avec un autre serveur dans un centre de données de taille moyenne typique, entraînant une perte totale de 95 % si vous utilisez des appareils existants, " dit Jicheng Jin, Doctorant à l'Université de Pennsylvanie. "En réalité, une énergie et des éléments supplémentaires sont nécessaires pour amplifier et relayer le signal encore et encore, qui introduit du bruit, abaisse le rapport signal sur bruit, et, finalement, réduit la bande passante de communication."
Après avoir étudié le système plus en détail, l'équipe de recherche a découvert que la rupture de la symétrie gauche-droite dans leur appareil pouvait réduire la perte à zéro.
"Ces résultats passionnants ont le potentiel de stimuler de nouveaux investissements dans la recherche pour les systèmes de l'armée, " a déclaré le Dr Michael Gerhold, gestionnaire de programme, optoélectronique, Bureau de recherche de l'armée. « Non seulement les progrès en matière d'efficacité de couplage ont le potentiel d'améliorer les communications de données pour les centres de données commerciaux, mais les résultats ont un impact énorme pour les systèmes photoniques où des signaux d'intensité beaucoup plus faible peuvent être utilisés pour le même calcul de précision, rendant possible les ordinateurs photoniques alimentés par batterie."
Après avoir étudié le système plus en détail, l'équipe de recherche a découvert que la rupture de la symétrie gauche-droite dans leur appareil pouvait réduire à zéro la perte d'énergie dans les réseaux de fibres optiques et les centres de données. Crédit :Université de Pennsylvanie
Pour mieux comprendre ce phénomène, l'équipe a développé une théorie basée sur les charges topologiques. Les charges topologiques interdisent le rayonnement dans une direction spécifique. Pour un coupleur à symétries haut-bas et gauche-droite, il y a une charge de chaque côté, interdisant le rayonnement dans le sens vertical.
"Imaginez-le comme de la colle en deux parties, " dit Bo Zhen, maître assistant, département de physique et d'astronomie de l'Université de Pennsylvanie. "En cassant la symétrie gauche-droite, la charge topologique est divisée en deux demi-charges - la colle en deux parties est séparée afin que chaque partie puisse s'écouler. En brisant la symétrie haut-bas, chaque partie coule différemment en haut et en bas, donc la colle en deux parties ne se combine que sur le fond, éliminer le rayonnement dans cette direction. C'est comme si un tuyau qui fuit avait été réparé avec une colle topologique en deux parties."
L'équipe a finalement opté pour un design avec une série de barres inclinées, qui brisent les symétries gauche-droite et haut-bas en même temps. Pour fabriquer de telles structures, ils ont développé une nouvelle méthode de gravure :des puces de silicium ont été placées sur un substrat en forme de coin, permettant à la gravure de se produire à un angle incliné. En comparaison, les graveurs standard ne peuvent créer que des parois latérales verticales. Comme étape future, l'équipe espère développer davantage cette technique de gravure pour être compatible avec les processus de fonderie existants et également proposer une conception encore plus simple pour la gravure.
Les auteurs attendent des applications à la fois pour aider la lumière à voyager plus efficacement sur de courtes distances, comme entre un câble à fibre optique et une puce dans un serveur, et sur de plus longues distances, tels que les systèmes Lidar à longue portée.
