（文章來源：教育新聞網）

研究人員說，一項美國陸軍光電設備項目的新發現可能有助于使光纖通信更加節能。

賓夕法尼亞大學，北京大學和麻省理工學院參與了一個項目，該項目部分由陸軍研究辦公室資助，該辦公室是美國陸軍作戰能力發展司令部的陸軍研究實驗室的組成部分。該研究試圖開發一種新的光學設備設計，該設計可以沿單個方向輻射光。這種用于光的單側輻射通道可用于各種光電應用中，以減少光纖網絡和數據中心的能量損耗。《自然》雜志發表了研究結果。

光傾向于沿著一個方向在光纖中流動，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，放大或檢測光信號。當大部分通過耦合器的光繼續穿過光纖時，一些光以相反的方向傳播并泄漏出去。

數據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。數據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為，在光纖和芯片之間的每個界面處的最小損耗為25%，這是無法超過的理論上限。由于數據中心需要復雜且交織的節點系統，因此25%的損耗會隨著光通過網絡傳播而迅速成倍增長。

賓夕法尼亞大學博士生金繼成說：“在典型的中型數據中心中，您可能需要傳遞五個節點(10個接口)才能與另一臺服務器進行通信，如果使用現有設備，則總損失為95%。” 。“實際上，需要額外的能量和元件來一次又一次地放大和中繼信號，這會引入噪聲，降低信噪比，并最終減少通信帶寬。”在對系統進行了更詳細的研究之后，研究小組發現打破設備中左右對稱性可以將損耗降至零。

陸軍研究辦公室光電項目經理Michael Gerhold博士說：“這些令人振奮的結果有可能刺激陸軍系統的新研究投資。“不僅耦合效率的提高有潛力改善商業數據中心的數據通信，而且其結果對光子系統產生了巨大影響，在光子系統中，強度更低的信號可用于相同的精度計算，從而使電池供電的光子計算機成為可能。”

為了更好地理解這種現象，研究小組開發了一種基于拓撲電荷的理論。拓撲電荷禁止向特定方向輻射。對于同時具有上下對稱性和左右對稱性的耦合器，每側都有一個電荷，從而禁止了垂直方向的輻射。

賓夕法尼亞大學物理與天文學系助理教授博震說：“把它想象成兩部分的膠水。”“通過破壞左右對稱性，拓撲電荷被分成兩個半電荷-兩部分膠被分離，以便每個部分都可以流動。通過打破上下對稱性，每個部分在頂部和底部的流動都不同。底部，因此，由兩部分組成的膠水僅在底部結合，從而消除了該方向的輻射。這就像是一個泄漏的管道已經由拓撲結構的兩部分膠水固定了。”

團隊最終選擇了一系列帶有傾斜桿的設計，這些傾斜桿同時打破了左右對稱性。為了制造這種結構，他們開發了一種新穎的蝕刻方法：將硅芯片放在楔形的基板上，以傾斜的角度進行蝕刻。相比之下，標準蝕刻機只能創建垂直側壁。作為未來的一步，該團隊希望進一步開發這種蝕刻技術，使其與現有的鑄造工藝兼容，并提出更簡單的蝕刻設計。

作者期望這些應用程序既可以幫助光在短距離內更有效地傳播，例如在光纖電纜和服務器中的芯片之間，又可以在更長的距離(例如遠程激光雷達系統)上更有效地傳播。
（責任編輯：fqj）