Ingenjörer vid University of California, Berkeley har byggt en ny fotonisk switch som kan styra ljusriktningen som passerar genom optiska fibrer snabbare och mer effektivt än någonsin. Denna optiska "trafikpolis" kan en dag revolutionera hur informationen går genom datacenter och högpresterande superdatorer som används för artificiell intelligens och andra datakrävande applikationer.

Den fotoniska omkopplaren är byggd med mer än 50, 000 mikroskopiska "ljusomkopplare, "var och en riktar en av 240 små ljusstrålar för att antingen göra en höger sväng när strömbrytaren är på, eller att passera rakt igenom när strömbrytaren är avstängd. 240-till-240-uppsättningen switchar etsas in i en kiselskiva och täcker ett område som är bara något större än ett frimärke.

"För första gången i en kiselbrytare, vi närmar oss de stora switcharna som människor bara kan bygga med bulkoptik, "sa Ming Wu, professor i elektroteknik och datavetenskap vid UC Berkeley och seniorförfattare till tidningen, som visas NÄR i journalen Optica . "Våra switchar är inte bara stora, men de är 10, 000 gånger snabbare, så vi kan byta datanätverk på intressanta sätt som inte många har tänkt på. "

För närvarande, de enda fotoniska omkopplarna som kan styra hundratals ljusstrålar samtidigt är byggda med speglar eller linser som måste vridas fysiskt för att byta ljusriktning. Varje varv tar ungefär en tiondel av en sekund att slutföra, vilket är eoner jämfört med elektroniska dataöverföringshastigheter. Den nya fotoniska omkopplaren är byggd med små integrerade kiselstrukturer som kan slås på och av på en bråkdel av en mikrosekund, närmar sig den hastighet som krävs för användning i höghastighetsdatanät.

Trafikpoliser på informationsvägen

Datacenter - där våra foton, videor och dokument som sparas i molnet lagras - består av hundratusentals servrar som ständigt skickar information fram och tillbaka. Elektriska omkopplare fungerar som trafikpoliser, se till att information som skickas från en server når målservern och inte går vilse på vägen.

Men när dataöverföringshastigheterna fortsätter att växa, vi når gränserna för vad elektriska omkopplare kan hantera, Wu sa.

"Elektriska omkopplare genererar så mycket värme, så även om vi kunde klämma in fler transistorer på en switch, värmen de alstrar börjar sätta vissa gränser, "sa han." Industrin räknar med att fortsätta trenden i kanske ytterligare två generationer och, efter det, något mer fundamentalt måste förändras. Vissa människor tror att optik kan hjälpa. "

Servernätverk kan istället anslutas med optiska fibrer, med fotoniska omkopplare som fungerar som trafikpoliser, Wu sa. Fotoniska omkopplare kräver väldigt lite ström och genererar ingen värme, så de möter inte samma begränsningar som elektriska omkopplare. Dock, nuvarande fotoniska omkopplare kan inte rymma så många anslutningar och plågas också av signalförlust - i huvudsak "dämpar" ljuset när det passerar genom omkopplaren - vilket gör det svårt att läsa de kodade data när den når sin destination.

I den nya fotoniska omkopplaren, ljusstrålar färdas genom en korsande uppsättning nanometer-tunna kanaler tills de når dessa individuella ljusomkopplare, var och en är byggd som en mikroskopisk motorvägsöverfart. När strömbrytaren är avstängd, ljuset rör sig rakt genom kanalen. Om du sätter på en spänning startar strömbrytaren, sänka en ramp som leder ljuset in i en högre kanal, som vänder 90 grader. En annan ramp sänker ljuset tillbaka till en vinkelrät kanal.

"Det är bokstavligen som en motorvägsramp, "Wu sa." Allt ljus går upp, svänger 90 grader och går sedan ner igen. Och det här är en mycket effektiv process, mer effektivt än vad alla andra gör på kiselfotonik. Det är denna mekanism som gör att vi kan göra växlar med lägre förlust. "

Teamet använder en teknik som kallas fotolitografi för att etsa omkopplingsstrukturerna i kiselskivor. Forskarna kan för närvarande skapa strukturer i en 240-till-240-uppsättning-240 ljusinsignaler och 240 ljusutgångar-med begränsad ljusförlust, vilket gör den till den största kiselbaserade switch som någonsin rapporterats. De arbetar med att perfekta sin tillverkningsteknik för att skapa ännu större switchar.

"Större switchar som använder bulkoptik är kommersiellt tillgängliga, men de är väldigt långsamma, så de är användbara i ett nätverk som du inte ändrar för ofta, "Wu sa." Nu, datorer fungerar mycket snabbt, så om du vill hålla jämna steg med datorns hastighet, du behöver mycket snabbare omkopplingssvar. Vår switch är lika stor, men mycket snabbare, så det kommer att möjliggöra nya funktioner i datacenternätverk. "