加州大學伯克利分校工程師們建造了一種新的光子開關(guān)，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(shù)據(jù)中心和高性能超級計算機之間的傳輸方式，這些超級計算機用于人工智能和其他數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。這種光子開關(guān)由5萬多個微型“光開關(guān)”組成，每一個都能引導(dǎo)240束微小光束中的一束，要么在開關(guān)打開時右轉(zhuǎn)，要么在開關(guān)關(guān)閉時直接通過。

博科園：240×240的開關(guān)陣列蝕刻在一塊硅片上，占地面積僅略大于一張郵票。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(guān)領(lǐng)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(guān)，該論文發(fā)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(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

目前，唯一能夠同時控制數(shù)百束光束的光子開關(guān)是由鏡子或透鏡組成，這些鏡子或透鏡必須在物理上轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)傳輸速度相比，這是漫長的時間。這種新型光子開關(guān)是由微型集成硅結(jié)構(gòu)制成，這種硅結(jié)構(gòu)可以在不到微秒的時間內(nèi)開關(guān)，接近高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)所需的速度。

信息高速公路上的交警

數(shù)據(jù)中心（存儲在云中的照片、視頻和文檔的地方）由成千上萬的服務(wù)器組成，這些服務(wù)器不斷地來回發(fā)送信息。電子開關(guān)扮演著交警的角色，確保從一臺服務(wù)器發(fā)送的信息到達目標服務(wù)器，并且不會在途中丟失。但是隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷增長，已經(jīng)達到了電氣開關(guān)所能處理的極限。電子開關(guān)產(chǎn)生的熱量如此之大，所以即使可以在一個開關(guān)上塞進更多的晶體管，它們產(chǎn)生的熱量也開始構(gòu)成一定限制。

業(yè)界預(yù)計，這種趨勢可能還會延續(xù)兩代人，在那之后，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(wù)器網(wǎng)絡(luò)可以用光纖連接，用光子開關(guān)充當交警。光子開關(guān)只需要很少的能量，也不產(chǎn)生任何熱量，因此它們不會面臨與電子開關(guān)相同的限制。然而，目前的光子開關(guān)不能容納那么多的連接，而且還受到信號損耗的困擾（當光通過開關(guān)時，基本上會“調(diào)暗”光）這使得編碼數(shù)據(jù)一旦到達目的地就很難讀取。

在這種新型的光子開關(guān)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(guān)，每個光開關(guān)都像微型高速公路立交橋一樣建造。當開關(guān)關(guān)閉時，光直接穿過通道。施加一個電壓打開開關(guān)，降低一個斜坡，引導(dǎo)光線進入一個更高的通道，使其旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)90度，然后再轉(zhuǎn)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(guān)。研究小組使用光刻技術(shù)將開關(guān)結(jié)構(gòu)蝕刻成硅片。

研究人員目前可以在240×240陣列的240個光輸入和240個光輸出中制造結(jié)構(gòu)，而且光損耗有限，這使得它成為有史以來最大的硅基開關(guān)，正在努力完善他們的制造技術(shù)，以制造更大的開關(guān)。使用體積光學元件的大型交換機在商業(yè)上是可以買到，但是它們的速度很慢，所以它們可以在網(wǎng)絡(luò)中使用，而不需要頻繁地更換它們?，F(xiàn)在，計算機的工作速度非?？?，所以如果你想跟上計算機的速度，需要更快的開關(guān)響應(yīng)。新研究的交換機大小相同，但速度快得多，因此它將在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)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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