研究人員說，一項(xiàng)美國(guó)陸軍光電設(shè)備項(xiàng)目的新發(fā)現(xiàn)可能有助于使光纖通信更加節(jié)能。

賓夕法尼亞大學(xué)，北京大學(xué)和麻省理工學(xué)院參與了一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目部分由陸軍研究辦公室資助，該辦公室是美國(guó)陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部的陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的組成部分。該研究試圖開發(fā)一種新的光學(xué)設(shè)備設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以沿單個(gè)方向輻射光。這種用于光的單側(cè)輻射通道可用于各種光電應(yīng)用中，以減少光纖網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心的能量損耗。《自然》雜志發(fā)表了研究結(jié)果。

光傾向于沿著一個(gè)方向在光纖中流動(dòng)，就像水流過管道一樣。片上耦合器用于將光纖連接到芯片，在芯片上生成，放大或檢測(cè)光信號(hào)。當(dāng)大部分通過耦合器的光繼續(xù)穿過光纖時(shí)，一些光以相反的方向傳播并泄漏出去。

數(shù)據(jù)流量中的能源消耗很大一部分是由于這種輻射損耗造成的。數(shù)據(jù)中心的總能耗占全球電力需求的2%，并且需求每年都在增加。

先前的研究一致地認(rèn)為，在光纖和芯片之間的每個(gè)界面處的最小損耗為25%，這是無法超過的理論上限。由于數(shù)據(jù)中心需要復(fù)雜且交織的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，因此25%的損耗會(huì)隨著光通過網(wǎng)絡(luò)傳播而迅速成倍增長(zhǎng)。

賓夕法尼亞大學(xué)博士生金繼成說：“在典型的中型數(shù)據(jù)中心中，您可能需要傳遞五個(gè)節(jié)點(diǎn)(10個(gè)接口)才能與另一臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行通信，如果使用現(xiàn)有設(shè)備，則總損失為95%。” 。“實(shí)際上，需要額外的能量和元件來一次又一次地放大和中繼信號(hào)，這會(huì)引入噪聲，降低信噪比，并最終減少通信帶寬。”

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了更詳細(xì)的研究之后，研究小組發(fā)現(xiàn)打破設(shè)備中左右對(duì)稱性可以將損耗降至零。

陸軍研究辦公室光電項(xiàng)目經(jīng)理Michael Gerhold博士說：“這些令人振奮的結(jié)果有可能刺激陸軍系統(tǒng)的新研究投資。“不僅耦合效率的提高有潛力改善商業(yè)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)通信，而且其結(jié)果對(duì)光子系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大影響，在光子系統(tǒng)中，強(qiáng)度更低的信號(hào)可用于相同的精度計(jì)算，從而使電池供電的光子計(jì)算機(jī)成為可能。”

為了更好地理解這種現(xiàn)象，研究小組開發(fā)了一種基于拓?fù)潆姾傻睦碚?。拓?fù)潆姾山瓜蛱囟ǚ较蜉椛?。?duì)于同時(shí)具有上下對(duì)稱性和左右對(duì)稱性的耦合器，每側(cè)都有一個(gè)電荷，從而禁止了垂直方向的輻射。

賓夕法尼亞大學(xué)物理與天文學(xué)系助理教授博震說：“把它想象成兩部分的膠水。”“通過破壞左右對(duì)稱性，拓?fù)潆姾杀环殖蓛蓚€(gè)半電荷-兩部分膠被分離，以便每個(gè)部分都可以流動(dòng)。通過打破上下對(duì)稱性，每個(gè)部分在頂部和底部的流動(dòng)都不同。底部，因此，由兩部分組成的膠水僅在底部結(jié)合，從而消除了該方向的輻射。這就像是一個(gè)泄漏的管道已經(jīng)由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兩部分膠水固定了。”

團(tuán)隊(duì)最終選擇了一系列帶有傾斜桿的設(shè)計(jì)，這些傾斜桿同時(shí)打破了左右對(duì)稱性。為了制造這種結(jié)構(gòu)，他們開發(fā)了一種新穎的蝕刻方法：將硅芯片放在楔形的基板上，以傾斜的角度進(jìn)行蝕刻。相比之下，標(biāo)準(zhǔn)蝕刻機(jī)只能創(chuàng)建垂直側(cè)壁。作為未來的一步，該團(tuán)隊(duì)希望進(jìn)一步開發(fā)這種蝕刻技術(shù)，使其與現(xiàn)有的鑄造工藝兼容，并提出更簡(jiǎn)單的蝕刻設(shè)計(jì)。

作者期望這些應(yīng)用程序既可以幫助光在短距離內(nèi)更有效地傳播，例如在光纖電纜和服務(wù)器中的芯片之間，又可以在更長(zhǎng)的距離(例如遠(yuǎn)程激光雷達(dá)系統(tǒng))上更有效地傳播。