加州大學伯克利分校的工程師們已經建造了一種新的光子開關，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“交通”有朝一日可以徹底改變信息如何通過數據中心和用于人工智能和其他數據密集型應用的高性能超級計算機。

光子開關內置有超過50,000個微型“燈開關”，每個燈開關指示240個微小光束中的一個在開關打開時向右轉，或者在開關關閉時直接通過。240×240的開關陣列被蝕刻到硅晶片中并覆蓋僅略大于郵票的區域。

“對于硅開關的第一次，我們正在接近的大交換機，人們只能建立使用大量光學，”明悟，在加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學教授和論文的高級作者，它說 網上出現 在Optica雜志上 。“我們的交換機不僅體積大，而且速度快了10,000倍，因此我們可以用有趣的方式切換數據網絡，這是很多人都沒有想過的。”

目前，可以同時控制數百個光束的唯一光子開關是用鏡子或鏡頭構建的，必須物理轉動以切換光的方向。每個轉彎需要大約十分之一秒才能完成，與電子數據傳輸速率相比，這是一個很長的時間。新型光子開關采用微型集成硅結構構建，可在幾分之一秒內打開和關閉，接近高速數據網絡所需的速度。

在信息高速公路上的交通

數據中心 - 存儲在云中保存的照片，視頻和文檔 - 由數十萬臺不斷發送信息的服務器組成。電氣交換機充當交通，確保從一臺服務器發送的信息到達目標服務器，并且不會在途中丟失。

光子開關使用稱為光刻的技術制造，其中每個“光開關”結構被蝕刻到硅晶片中。晶圓上的每個淺灰色正方形包含6,400個這些開關。

但隨著數據傳輸速率的不斷提高，我們正在達到電氣開關可以處理的極限，吳說。

“電氣開關會產生很多熱量，所以即使我們可以將更多的晶體管塞進開關，它們產生的熱量也開始產生一定的限制，”他說。“行業預計將延續兩代以上的趨勢，之后，更基本的東西必須改變。有些人認為光學可以提供幫助。“

吳說，服務器網絡可以通過光纖連接，光子交換機充當交通。光子開關需要的功率非常小，不會產生任何熱量，因此它們不會像電氣開關那樣受到限制。然而，目前的光子開關不能容納盡可能多的連接并且還受到信號損失的困擾 - 當光通過開關時基本上“調暗”光 - 這使得一旦到達目的地就很難讀取編碼數據。

在新的光子開關中，光束穿過交叉的納米薄通道陣列，直到它們到達這些單獨的燈開關，每個燈開關都像微觀高速公路立交橋一樣構建。當開關關閉時，光線直接穿過通道。施加電壓會打開開關，降低斜坡，將光線引導到更高的通道，將其旋轉90度。另一個斜坡將光線降回到垂直通道。

“這就像一條高速公路斜坡，”吳說。“所有的燈都亮起來，轉了90度，然后再往下走。這是一個非常有效的過程，比其他人在硅光子學上的效率更高。正是這種機制使我們能夠制造低損耗開關。“

該團隊使用一種稱為光刻技術的技術將開關結構蝕刻成硅晶片。研究人員目前可以制造240×240陣列的結構 - 240個光輸入和240個光輸出 - 光損失有限，使其成為有史以來最大的硅基開關。他們正在努力完善他們的制造技術，以創造更大的開關。

“使用體光學器件的大型開關在市場上可以買到，但它們非常慢，因此它們可用于不會過于頻繁更換的網絡中，”Wu說。“現在，計算機工作速度非常快，所以如果你想要跟上計算機的速度，你需要更快的切換響應。我們的交換機尺寸相同，但速度更快，因此可以在數據中心網絡中實現新功能。“