Самый быстрый фотонный переключатель для оптических коммуникаций
Фотонный переключатель состоит из более чем 50 000 микроскопических «световых переключателей»
Инженеры из Калифорнийского университета в Беркли создали новый фотонный переключатель, который может управлять направлением света, проходящего через оптические волокна, быстрее и эффективнее, чем когда-либо. Этот оптический прибор может однажды революционизировать то, как информация передается через центры обработки данных и высокопроизводительные суперкомпьютеры, которые используются для искусственного интеллекта и других приложений, интенсивно использующих данные.
Фотонный переключатель состоит из более чем 50 000 микроскопических «световых переключателей», каждый из которых направляет один из 240 крошечных световых лучей, чтобы либо повернуть луч направо, когда переключатель включен, либо позволить лучу пройти прямо через него, когда переключатель выключен. Массив переключателей 240 на 240 выгравирован на кремниевой пластине и занимает площадь, немного превышающую почтовую марку.
«Впервые в кремниевом коммутаторе мы приближаемся к большим коммутаторам, которые люди могут создавать только с использованием оптоволоконной оптики», — сказал Мин Ву, профессор электротехники и компьютерных наук в Калифорнийском университете в Беркли и старший автор статьи, которая опубликована в журнале Optica. «Наши коммутаторы не только большие, но и в 10 000 раз быстрее, поэтому мы можем переключать сети передачи данных интересными способами, о которых мало кто задумывался».
В настоящее время единственные фотонные переключатели, которые могут управлять сотнями световых лучей одновременно, построены с зеркалами или линзами, которые должны быть физически повернуты для переключения направления света. Каждый ход занимает около одной десятой секунды, что очень долго по сравнению со скоростью передачи электронных данных.
Новый фотонный переключатель построен с использованием крошечных интегрированных кремниевых структур, которые могут включаться и выключаться за доли микросекунды, приближаясь к скорости, необходимой для использования в высокоскоростных сетях передачи данных.
В новом фотонном переключателе лучи света проходят через перекрещивающийся массив нанометровых каналов, пока не достигнут отдельных переключателей света, каждый из которых построен как микроскопический путепровод для автострады. Когда переключатель выключен, свет проходит прямо через канал. При подаче напряжения включается переключатель, который опускает рампу, которая направляет свет в более высокий канал, который поворачивает его на 90 градусов. Другая рампа опускает свет обратно в перпендикулярный канал.
«Это буквально как съезд с автострады», — говорят исследователи. «Весь свет идет вверх, поворачивается на 90 градусов, а затем возвращается вниз. И это очень эффективный процесс, более эффективный, чем то, что делают все остальные в области кремниевой фотоники».
Ученые использует технику, называемую фотолитографией, чтобы вытравить переключающие структуры на кремниевой пластине. В настоящее время исследователи могут создавать структуры из массива 240 на 240 — 240 входа и 240 выхода — с ограниченными потерями света, что делает его самым большим из известных кремниевых переключателей. Они работают над совершенствованием своей технологии производства, чтобы создать еще большие переключатели.
«Большие коммутаторы сейчас коммерчески доступны, но они очень медленные, поэтому их можно использовать в сети, которую вы не меняете слишком часто», — сказал Мин Ву. «Теперь компьютеры работают очень быстро, поэтому, если вы хотите идти в ногу со скоростью работы компьютера, вам нужно гораздо более быстрое реагирование. Наш коммутатор такого же размера, как и другие, но он гораздо быстрее, поэтому он будет обеспечивать новые функции в сетях центров обработки данных».
Tae Joon Seok et al, Wafer-scale silicon photonic switches beyond die size limit, Optica (2019). DOI: 10.1364/OPTICA.6.000490