加州大學伯克利分校工程師們建造了一種新的光子開關，它可以比以往更快更有效地控制光通過光纖的方向。這種光學“交警”有朝一日可能會徹底改變信息在數據中心和高性能超級計算機之間的傳輸方式，這些超級計算機用於人工智能和其他數據密集型應用。這種光子開關由5萬多個微型“光開關”組成，每一個都能引導240束微小光束中的一束，要麼在開關打開時右轉，要麼在開關關閉時直接通過。
博科園：240×240的開關陣列蝕刻在一塊硅片上，佔地面積僅略大於一張郵票。加州大學伯克利分校電子工程與計算機科學教授、該論文的資深作者吳明(音譯)表示：在硅開關領域，我們第一次接近了人們只能用體積光學來建造的大型開關，該論文發表在《光學學報》(Optica)上。交換機不僅大，而且速度快1萬倍，所以我們可以用很多人沒有想到的有趣方式切換數據網絡。
- 這種光子開關是由5萬多個微型“光開關”蝕刻在硅片上製成，每一個電燈開關(小的凸起的正方形)引導240束小光束中的一束，要麼在開關打開時右轉，要麼在開關關閉時直接通過。 圖片：Younghee Lee graphic
目前，唯一能夠同時控制數百束光束的光子開關是由鏡子或透鏡組成，這些鏡子或透鏡必須在物理上轉動才能改變光的方向。每一圈大約需要十分之一秒的時間來完成，與電子數據傳輸速度相比，這是漫長的時間。這種新型光子開關是由微型集成硅結構製成，這種硅結構可以在不到微秒的時間內開關，接近高速數據網絡所需的速度。
信息高速公路上的交警
數據中心（存儲在雲中的照片、視頻和文檔的地方）由成千上萬的服務器組成，這些服務器不斷地來回發送信息。電子開關扮演著交警的角色，確保從一臺服務器發送的信息到達目標服務器，並且不會在途中丟失。但是隨著數據傳輸速率的不斷增長，已經達到了電氣開關所能處理的極限。電子開關產生的熱量如此之大，所以即使可以在一個開關上塞進更多的晶體管，它們產生的熱量也開始構成一定限制。
- 這種光子開關是利用光刻技術製造，在光刻技術中，每個“光開關”結構都蝕刻在硅片上，晶圓上的每個淺灰色正方形包含6400個這樣的開關。 圖片：Kyungmok Kwon
業界預計，這種趨勢可能還會延續兩代人，在那之後，一些更根本的東西必須改變。一些人認為光學可以提供幫助。服務器網絡可以用光纖連接，用光子開關充當交警。光子開關只需要很少的能量，也不產生任何熱量，因此它們不會面臨與電子開關相同的限制。然而，目前的光子開關不能容納那麼多的連接，而且還受到信號損耗的困擾（當光通過開關時，基本上會“調暗”光）這使得編碼數據一旦到達目的地就很難讀取。
在這種新型的光子開關中，光束通過一系列縱橫交錯的納米級細通道，直到到達這些單獨的光開關，每個光開關都像微型高速公路立交橋一樣建造。當開關關閉時，光直接穿過通道。施加一個電壓打開開關，降低一個斜坡，引導光線進入一個更高的通道，使其旋轉90度。另一個斜坡將光線降低到垂直的通道。這簡直就像一個高速公路坡道，所有燈都亮起來，轉90度，然後再轉回來。這是一個非常高效的過程，比其他所有人在硅光子學上做的都要高效。正是這種機制讓我們能夠做出更低損耗的開關。研究小組使用光刻技術將開關結構蝕刻成硅片。
- 每一個單獨的“電開關”就像一個微型公路立交橋，當開關關閉時，光直接通過一個較低的通道(紅線)。打開開關會降低一個很小的斜坡，把光引導到上面的通道，然後右轉(藍線)。第二個斜坡降低了燈光。 圖片：Tae Joon Seok image
研究人員目前可以在240×240陣列的240個光輸入和240個光輸出中製造結構，而且光損耗有限，這使得它成為有史以來最大的硅基開關，正在努力完善他們的製造技術，以製造更大的開關。使用體積光學元件的大型交換機在商業上是可以買到，但是它們的速度很慢，所以它們可以在網絡中使用，而不需要頻繁地更換它們。現在，計算機的工作速度非常快，所以如果你想跟上計算機的速度，需要更快的開關響應。新研究的交換機大小相同，但速度快得多，因此它將在數據中心網絡中啟用新功能。
博科園-科學科普｜研究/來自: 加州大學伯克利分校
參考期刊文獻:《光學學報》
DOI: 10.1364/OPTICA.6.000490
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