新型硅光子开关:效率更高、速度更快!

IntelligentThin 2019-04-14 14:55

导读


据美国加州大学伯克利分校官网近日报道,该校工程师开发出一种新型光子开关,它能比以往更快、更有效地控制光线通过光纤的方向。有朝一日,这种光学“交警”将会彻底改变信息在数据中心和高性能超级计算机中的传输方式。


背景


数据中心是云端的图片、视频、文件存储的地方。它由数十万台服务器组成,这些服务器不断地来回发送信息。


欧洲核子研究组织(CERN)的数据中心(图片来源:维基百科)


电气开关扮演着“交警”的角色,确保从一台服务器发送的信息能到达目标服务器,而不会在途中丢失。但是随着数据传输速率的不断增长,电气开关已经达到了它的处理极限。电气开关产生的热量非常大,即便向一个开关上塞进更多的晶体管,它们产生的热量也会开始造成一定的限制。业界预计,这种趋势可能还会延续两代。之后,一些更根本的东西必须被改变。某些人认为光学会起到帮助作用。


创新


近日,美国加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的工程师们开发出一种新型光子开关,它能比以往更快、更有效地控制光线通过光纤的方向。有朝一日,这种光学“交警”将会彻底改变信息在数据中心和高性能超级计算机中的传输方式,这些高性能超级计算机可应用于人工智能和其他数据密集型应用。


相关论文于4月11日在线发表在《Optica》期刊上。


技术


光子开关是由5万多个微型“光开关”构成,每个“光开关”都能引导240束微型光束中的一束。当开关打开时,光线向右转;当开关关闭时,光线直接通过。240乘240的开关阵列蚀刻到硅晶圆中,占据的面积仅比一枚邮票略大一点。


(图片来源:Younghee Lee)


加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系教授、这篇论文的高级作者吴明(音)表示:“在一个硅开关中,我们首次接近了只能采用体光学来构造的大型开关。我们的开关不仅大,而且速度快1万倍。因此,我们可以用很多人都没想到的有趣方法来切换数据网络。”


目前,可同时控制数百束光的光子开关,只能由镜子或者透镜组成。这些镜子或者透镜必须通过物理方法转向,才能切换光线的方向。每次转向需要十分之一秒才能完成,与电子数据传输速率相比,这个时间很漫长。然而,这种新型光子开关,由微型集成硅结构制成,可在几分之一微秒的时间内开关,接近高速数据网络应用所必需的速度。


吴教授表示,服务器网络由光纤连接,光子开关充当“交警”。光子开关需要的能量很少,并且不会产生任何热量,所以它们不会面临电气开关那样的极限。然而,目前的光子开关无法容纳那么多的连接,还会受到信号损耗的困扰(当光线通过开关时,亮度会变暗)。因此,光线到达目的地时,我们会很难从中读出编码的数据。


在新的光子开关中,光束穿过纵横交错的纳米薄度的沟道阵列,然后到达这些单独的光开关,每个光开关就像微观世界的高速公路立交桥。当开关关闭时,光线直接穿过沟道。施加一个电压打开开关,降低了斜坡,引导光线进入更高的沟道,使其旋转90度,再由另一个斜坡,使光线降低,回到垂直的沟道。


每个单独的“光开关”就像一个微型的高速公路立交桥。当开关关闭时,光线直接通过一个较低的沟道(红线)。当开关打开时,会降低一个小斜坡,把光引导到上面的沟道,然后右转(蓝线)。第二个斜坡再将光线降低回来。(图片来源:Tae Joon Seok)


吴教授表示:“这就像一个高速公路匝道。所有的光线都上升,旋转90度,然后再下降返回。这是一个非常高效的过程,比其他所有人在硅光子学中所做的都更高效。这个机制使我们能制造出低损耗的开关。”


团队采用一项称为“光刻”的技术,将开关结构蚀刻到硅晶圆中。目前,研究人员们可以制造出240×240的阵列结构,240个光输入,240个光输出,而且光损耗有限。这使它成为目前为止所报道的最大的硅基开关。他们正在完善制造技术,以创造出更大的开关。


晶圆上的每个浅灰色正方形都含有6400个光开关。(图片来源:Kyungmok Kwon)


价值


吴教授表示:“采用体光学技术的更大的开关已经在市场上可以买到,但是它们非常慢,所以它们应用到无需频繁更换的网络中。现在,计算机的运行速度非常快,所以你想要跟得上计算机的速度,就需要快得多的开关响应速度。我们开关的尺寸相同,但是却快得多,所以它将在数据中心网络中开启新的功能。”


关键字


数据中心、光学、开关、硅晶圆


参考资料


【1】Tae Joon Seok, Kyungmok Kwon, Johannes Henriksson, Jianheng Luo, Ming C. Wu. Wafer-scale silicon photonic switches beyond die size limit. Optica, 2019; 6 (4): 490 DOI: 10.1364/OPTICA.6.000490

【2】https://news.berkeley.edu/2019/04/12/largest-fastest-array-of-microscopic-traffic-cops-for-optical-communications/




了解更多前沿技术,请点击“阅读原文”。



IntelligentThin 汇聚环球创新智慧,发掘前沿科技价值。
评论
热门推荐
相关推荐
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦