用于光通信的最大 最快的微觀交通陣列

加州大學(xué)伯克利分校的工程師們已經(jīng)建造了一種新的光子開(kāi)關(guān)，可以比以往更快，更有效地控制光通過(guò)光纖的方向。這種光學(xué)“交通”有朝一日可以徹底改變信息如何通過(guò)數(shù)據(jù)中心和用于人工智能和其他數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)。

光子開(kāi)關(guān)內(nèi)置有超過(guò)50,000個(gè)微型“燈開(kāi)關(guān)”，每個(gè)燈開(kāi)關(guān)指示240個(gè)微小光束中的一個(gè)在開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)向右轉(zhuǎn)，或者在開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)直接通過(guò)。240×240的開(kāi)關(guān)陣列被蝕刻到硅晶片中并覆蓋僅略大于郵票的區(qū)域。

“對(duì)于硅開(kāi)關(guān)的第一次，我們正在接近的大交換機(jī)，人們只能建立使用大量光學(xué)，”明悟，在加州大學(xué)伯克利分校電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授和論文的高級(jí)作者，它說(shuō) 網(wǎng)上出現(xiàn) 在Optica雜志上 。“我們的交換機(jī)不僅體積大，而且速度快了10,000倍，因此我們可以用有趣的方式切換數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，這是很多人都沒(méi)有想過(guò)的。”

目前，可以同時(shí)控制數(shù)百個(gè)光束的唯一光子開(kāi)關(guān)是用鏡子或鏡頭構(gòu)建的，必須物理轉(zhuǎn)動(dòng)以切換光的方向。每個(gè)轉(zhuǎn)彎需要大約十分之一秒才能完成，與電子數(shù)據(jù)傳輸速率相比，這是一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)間。新型光子開(kāi)關(guān)采用微型集成硅結(jié)構(gòu)構(gòu)建，可在幾分之一秒內(nèi)打開(kāi)和關(guān)閉，接近高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)所需的速度。

在信息高速公路上的交通

數(shù)據(jù)中心 - 存儲(chǔ)在云中保存的照片，視頻和文檔 - 由數(shù)十萬(wàn)臺(tái)不斷發(fā)送信息的服務(wù)器組成。電氣交換機(jī)充當(dāng)交通，確保從一臺(tái)服務(wù)器發(fā)送的信息到達(dá)目標(biāo)服務(wù)器，并且不會(huì)在途中丟失。

光子開(kāi)關(guān)使用稱為光刻的技術(shù)制造，其中每個(gè)“光開(kāi)關(guān)”結(jié)構(gòu)被蝕刻到硅晶片中。晶圓上的每個(gè)淺灰色正方形包含6,400個(gè)這些開(kāi)關(guān)。

但隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，我們正在達(dá)到電氣開(kāi)關(guān)可以處理的極限，吳說(shuō)。

“電氣開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生很多熱量，所以即使我們可以將更多的晶體管塞進(jìn)開(kāi)關(guān)，它們產(chǎn)生的熱量也開(kāi)始產(chǎn)生一定的限制，”他說(shuō)。“行業(yè)預(yù)計(jì)將延續(xù)兩代以上的趨勢(shì)，之后，更基本的東西必須改變。有些人認(rèn)為光學(xué)可以提供幫助。“

吳說(shuō)，服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)光纖連接，光子交換機(jī)充當(dāng)交通。光子開(kāi)關(guān)需要的功率非常小，不會(huì)產(chǎn)生任何熱量，因此它們不會(huì)像電氣開(kāi)關(guān)那樣受到限制。然而，目前的光子開(kāi)關(guān)不能容納盡可能多的連接并且還受到信號(hào)損失的困擾 - 當(dāng)光通過(guò)開(kāi)關(guān)時(shí)基本上“調(diào)暗”光 - 這使得一旦到達(dá)目的地就很難讀取編碼數(shù)據(jù)。

在新的光子開(kāi)關(guān)中，光束穿過(guò)交叉的納米薄通道陣列，直到它們到達(dá)這些單獨(dú)的燈開(kāi)關(guān)，每個(gè)燈開(kāi)關(guān)都像微觀高速公路立交橋一樣構(gòu)建。當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，光線直接穿過(guò)通道。施加電壓會(huì)打開(kāi)開(kāi)關(guān)，降低斜坡，將光線引導(dǎo)到更高的通道，將其旋轉(zhuǎn)90度。另一個(gè)斜坡將光線降回到垂直通道。

“這就像一條高速公路斜坡，”吳說(shuō)。“所有的燈都亮起來(lái)，轉(zhuǎn)了90度，然后再往下走。這是一個(gè)非常有效的過(guò)程，比其他人在硅光子學(xué)上的效率更高。正是這種機(jī)制使我們能夠制造低損耗開(kāi)關(guān)。“

該團(tuán)隊(duì)使用一種稱為光刻技術(shù)的技術(shù)將開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)蝕刻成硅晶片。研究人員目前可以制造240×240陣列的結(jié)構(gòu) - 240個(gè)光輸入和240個(gè)光輸出 - 光損失有限，使其成為有史以來(lái)最大的硅基開(kāi)關(guān)。他們正在努力完善他們的制造技術(shù)，以創(chuàng)造更大的開(kāi)關(guān)。

“使用體光學(xué)器件的大型開(kāi)關(guān)在市場(chǎng)上可以買(mǎi)到，但它們非常慢，因此它們可用于不會(huì)過(guò)于頻繁更換的網(wǎng)絡(luò)中，”Wu說(shuō)。“現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)工作速度非?？?，所以如果你想要跟上計(jì)算機(jī)的速度，你需要更快的切換響應(yīng)。我們的交換機(jī)尺寸相同，但速度更快，因此可以在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)新功能。“