Største, hurtigste udvalg af mikroskopiske trafikbetjente til optisk kommunikation

Ingeniører ved University of California, Berkeley har bygget en ny fotonisk switch, der kan styre lysretningen, der passerer gennem optiske fibre hurtigere og mere effektivt end nogensinde. Denne optiske "trafikbetjent" kan en dag revolutionere, hvordan information bevæger sig gennem datacentre og højtydende supercomputere, der bruges til kunstig intelligens og andre datakrævende applikationer.

Den fotoniske switch er bygget med mere end 50, 000 mikroskopiske "lysafbrydere, "hver af dem leder en af ​​240 små lysstråler til enten at dreje til højre når kontakten er tændt, eller at passere lige igennem, når kontakten er slukket. 240-til-240-serien af ​​kontakter er ætset ind i en siliciumskive og dækker et område, der kun er lidt større end et frimærke.

"For første gang i en siliciumkontakt, vi nærmer os de store switches, som folk kun kan bygge ved hjælp af bulkoptik, "sagde Ming Wu, professor i elektroteknik og datalogi ved UC Berkeley og seniorforfatter af papiret, som vises NÅR i journalen Optica . "Vores kontakter er ikke kun store, men de er 10, 000 gange hurtigere, så vi kan skifte datanetværk på interessante måder, som ikke mange mennesker har tænkt på. "

I øjeblikket, de eneste fotoniske kontakter, der kan styre hundredvis af lysstråler på én gang, er bygget med spejle eller linser, der skal drejes fysisk for at skifte lysretning. Hver tur tager cirka en tiendedel af et sekund at gennemføre, hvilket er eoner sammenlignet med elektroniske dataoverførselshastigheder. Den nye fotoniske switch er bygget ved hjælp af bittesmå integrerede siliciumstrukturer, der kan tænde og slukke på en brøkdel af et mikrosekund, nærmer sig den hastighed, der er nødvendig til brug i højhastighedsdatanetværk.

Trafikpoliti på informationsvejen

Datacentre - hvor vores fotos, videoer og dokumenter gemt i skyen gemmes - består af hundredtusinder af servere, der konstant sender oplysninger frem og tilbage. Elektriske kontakter fungerer som trafikbetjente, at sikre, at oplysninger, der sendes fra en server, når målserveren og ikke går tabt undervejs.

Men da dataoverførselshastighederne fortsat vokser, vi når grænserne for, hvad elektriske kontakter kan håndtere, Sagde Wu.

"Elektriske afbrydere genererer så meget varme, så selvom vi kunne proppe flere transistorer på en switch, varmen, de genererer, begynder at stille visse grænser, "sagde han." Industrien forventer at fortsætte tendensen i måske to generationer mere og, efter det, noget mere fundamentalt skal ændres. Nogle mennesker tror, ​​at optik kan hjælpe. "

Servernetværk kunne i stedet forbindes med optiske fibre, med fotoniske kontakter, der fungerer som trafikbetjente, Sagde Wu. Fotoniske switches kræver meget lidt strøm og genererer ikke varme, så de ikke står over for de samme begrænsninger som elektriske kontakter. Imidlertid, nuværende fotoniske switche kan ikke rumme så mange forbindelser og er også plaget af signaltab - i det væsentlige "dæmper" lyset, når det passerer gennem kontakten - hvilket gør det svært at læse de kodede data, når de når sin destination.

I den nye fotoniske switch, lysstråler bevæger sig gennem et krydsende udvalg af nanometer-tynde kanaler, indtil de når disse individuelle lyskontakter, hver af dem er bygget som en mikroskopisk motorvejsovergang. Når kontakten er slukket, lyset bevæger sig lige gennem kanalen. Ved at anvende en spænding tændes kontakten, sænke en rampe, der leder lyset ind i en højere kanal, som vender den 90 grader. En anden rampe sænker lyset tilbage til en vinkelret kanal.

"Det er bogstaveligt talt som en motorvejsrampe, "Wu sagde." Alt lys går op, drejer en 90-graders drejning og går derefter ned igen. Og det er en meget effektiv proces, mere effektiv end hvad alle andre gør på silicon fotonik. Det er denne mekanisme, der giver os mulighed for at lave switches med lavere tab. "

Teamet bruger en teknik kaldet fotolitografi til at ætske omskiftningskonstruktionerne til siliciumskiver. Forskerne kan i øjeblikket lave strukturer i et 240 x 240 array-240 lysindgange og 240 lysudgange-med begrænset lystab, hvilket gør den til den største silicium-baserede switch, der nogensinde er rapporteret. De arbejder på at perfektionere deres fremstillingsteknik for at skabe endnu større kontakter.

"Større kontakter, der bruger bulkoptik, er kommercielt tilgængelige, men de er meget langsomme, så de kan bruges i et netværk, som du ikke ændrer for ofte, "Wu sagde." Nu, computere fungerer meget hurtigt, så hvis du vil følge med i computerens hastighed, du har brug for meget hurtigere switchrespons. Vores switch er af samme størrelse, men meget hurtigere, så det vil muliggøre nye funktioner i datacenternetværk. "