Фотонный переключатель состоит из более чем 50 000 микроскопических «переключателей света», каждый из которых направляет один из 240 крошечных лучей света, чтобы либо повернуть направо, когда переключатель включен, либо пройти прямо, когда переключатель выключен. Массив переключателей размером 240 на 240 вытравлен на кремниевой пластине и занимает площадь лишь немного больше, чем почтовая марка.
«Впервые в кремниевом переключателе мы приближаемся к большим переключателям, которые люди могут построить только с использованием объемной оптики», – сказал Минг Ву, профессор электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли и старший автор статьи, которая появляется КОГДА 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, состоят из зеркал или линз, которые необходимо физически поворачивать для переключения направления света.
Каждый ход занимает около одной десятой секунды, что на целые эоны 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, что приближается к скорости, необходимой для использования в высокоскоростных сетях передачи данных.
Гаишники на информационной магистрали
Центры обработки данных, где хранятся наши фотографии, видео и документы, сохраненные в облаке, состоят из сотен тысяч серверов, которые постоянно отправляют информацию туда и обратно. Электрические коммутаторы действуют как гаишники, следя за тем, чтобы информация, отправляемая с одного сервера, доходила до целевого сервера и не терялась по пути.
Но поскольку скорость передачи данных продолжает расти, мы приближаемся к пределу возможностей электрических переключателей, сказал Ву.
«Электрические переключатели выделяют так много тепла, что, хотя мы могли бы втиснуть в переключатель больше транзисторов, выделяемое ими тепло начинает иметь определенные ограничения», – сказал он. «Промышленность ожидает, что эта тенденция сохранится еще, возможно, еще два поколения, и после этого должно измениться что-то более фундаментальное. Некоторые люди думают, что оптика может помочь."
Вместо этого серверные сети могут быть соединены оптическими волокнами, а фотонные переключатели будут действовать как гаишники, сказал Ву.
Фотонные переключатели требуют очень мало энергии и не выделяют тепла, поэтому они не сталкиваются с теми же ограничениями, что и электрические переключатели. Однако современные фотонные переключатели не могут вместить столько соединений, а также страдают от потери сигнала – по сути, «затемняют» свет, когда он проходит через переключатель – что затрудняет чтение закодированных данных, когда они достигают места назначения.
В новом фотонном переключателе лучи света проходят через пересекающийся массив каналов нанометровой толщины, пока не достигнут этих отдельных переключателей света, каждый из которых построен как микроскопическая эстакада. Когда переключатель выключен, свет проходит прямо через канал.
Подача напряжения включает переключатель, понижая наклон, который направляет свет в канал более высокого уровня, который поворачивает его на 90 градусов. Другая рампа опускает свет обратно в перпендикулярный канал.
"Это буквально похоже на съезд на автостраду", – сказал Ву. "Весь свет загорается, делает поворот на 90 градусов, а затем снова гаснет. И это очень эффективный процесс, более эффективный, чем то, что делают все остальные в кремниевой фотонике.
Именно этот механизм позволяет нам создавать переключатели с меньшими потерями."
Команда использует технику, называемую фотолитографией, для травления переключающих структур на кремниевых пластинах.
В настоящее время исследователи могут создавать структуры в виде массива 240 на 240 – 240 световых входов и 240 световых выходов – с ограниченными световыми потерями, что делает его крупнейшим переключателем на основе кремния, о котором когда-либо сообщалось. Они работают над совершенствованием своей производственной техники, чтобы создавать еще более крупные переключатели.
«Коммутаторы большего размера, использующие оптическую оптику, доступны в продаже, но они очень медленные, поэтому их можно использовать в сети, которую вы не меняете слишком часто», – сказал Ву. «Теперь компьютеры работают очень быстро, поэтому, если вы хотите не отставать от скорости компьютера, вам нужно гораздо более быстрое переключение. Наш коммутатор такого же размера, но намного быстрее, поэтому он позволяет использовать новые функции в сетях центров обработки данных."