Os pesquisadores dizem que uma nova descoberta em um projeto do Exército dos EUA para dispositivos optoeletrônicos poderia ajudar a tornar as comunicações de fibra óptica mais eficientes em termos de energia.

A Universidade da Pensilvânia, A Universidade de Pequim e o Instituto de Tecnologia de Massachusetts trabalharam em um projeto financiado, em parte pelo Gabinete de Pesquisa do Exército, que é um elemento do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA. A pesquisa buscou desenvolver um novo design de dispositivos ópticos que irradiam luz em uma única direção. Este canal de radiação de lado único para luz pode ser usado em uma ampla gama de aplicações optoeletrônicas para reduzir a perda de energia em redes de fibra óptica e centros de dados. O jornal Natureza publicou os resultados.

A luz tende a fluir nas fibras ópticas ao longo de uma direção, como a água flui por um cano. Acopladores no chip são usados ​​para conectar fibras a chips, onde os sinais de luz são gerados, amplificado, ou detectado. Embora a maior parte da luz que passa pelo acoplador continue até a fibra, parte da luz viaja na direção oposta, vazando.

Grande parte do consumo de energia no tráfego de dados se deve a essa perda de radiação. O consumo total de energia do data center é 2% da demanda global de eletricidade, e a demanda aumenta a cada ano.

Estudos anteriores sugeriram consistentemente que uma perda mínima de 25 por cento em cada interface entre as fibras ópticas e os chips era um limite superior teórico que não poderia ser ultrapassado. Como os data centers exigem sistemas complexos e entrelaçados de nós, essa perda de 25 por cento multiplica-se rapidamente à medida que a luz viaja pela rede.

"Você pode precisar passar cinco nós (10 interfaces) para se comunicar com outro servidor em um data center típico de médio porte, levando a uma perda total de 95 por cento se você usar os dispositivos existentes, "disse Jicheng Jin, Aluno de doutorado da Universidade da Pensilvânia. "Na verdade, energia extra e elementos são necessários para amplificar e retransmitir o sinal repetidamente, que introduz ruído, reduz a relação sinal-ruído, e, em última análise, reduz a largura de banda de comunicação. "

Depois de estudar o sistema em mais detalhes, a equipe de pesquisa descobriu que quebrar a simetria esquerda-direita em seu dispositivo poderia reduzir a perda a zero.

"Esses resultados empolgantes têm o potencial de estimular novos investimentos em pesquisa para os sistemas do Exército, "disse o Dr. Michael Gerhold, gerenciador de programa, optoeletrônica, Escritório de Pesquisa do Exército. "Não apenas os avanços na eficiência do acoplamento têm potencial para melhorar as comunicações de dados para data centers comerciais, mas os resultados têm grande impacto para sistemas fotônicos, onde sinais de intensidade muito mais baixa podem ser usados ​​para o mesmo cálculo de precisão, tornando possíveis os computadores fotônicos alimentados por bateria. "

Para entender melhor esse fenômeno, a equipe desenvolveu uma teoria baseada em cargas topológicas. As cargas topológicas proíbem a radiação em uma direção específica. Para um acoplador com simetrias cima-baixo e esquerda-direita, há uma carga de cada lado, proibindo a radiação na direção vertical.

"Imagine como uma cola de duas partes, "disse Bo Zhen, professor assistente, Departamento de Física e Astronomia da Universidade da Pensilvânia. "Ao quebrar a simetria esquerda-direita, a carga topológica é dividida em duas meias cargas - a cola de duas partes é separada para que cada parte possa fluir. Ao quebrar a simetria de cima para baixo, cada parte flui de maneira diferente na parte superior e inferior, então a cola de duas partes combina apenas na parte inferior, eliminando a radiação nessa direção. É como se um cano com vazamento tivesse sido consertado com uma cola topológica de duas partes. "

A equipe finalmente decidiu por um projeto com uma série de barras inclinadas, que quebram simetrias esquerda-direita e cima-baixo ao mesmo tempo. Para fabricar tais estruturas, eles desenvolveram um novo método de corrosão:chips de silício foram colocados em um substrato semelhante a uma cunha, permitindo que a gravação ocorra em um ângulo inclinado. Em comparação, gravadores padrão só podem criar paredes laterais verticais. Como uma etapa futura, a equipe espera desenvolver ainda mais essa técnica de gravação para ser compatível com os processos de fundição existentes e também para chegar a um design ainda mais simples para gravação.

Os autores esperam aplicações que ajudem a viajar de forma mais eficiente em curtas distâncias, como entre um cabo de fibra óptica e um chip em um servidor, e em distâncias mais longas, como os sistemas Lidar de longo alcance.