新型硅光子開關：效率更高、速度更快！

導讀

據美國加州大學伯克利分校官網近日報道，該校工程師開發出一種新型光子開關，它能比以往更快、更有效地控制光線通過光纖的方向。有朝一日，這種光學「交警」將會徹底改變信息在數據中心和高性能超級計算機中的傳輸方式。

背景

數據中心是雲端的圖片、視頻、文件存儲的地方。它由數十萬台伺服器組成，這些伺服器不斷地來回發送信息。

歐洲核子研究組織（CERN）的數據中心（圖片來源：維基百科）

電氣開關扮演著「交警」的角色，確保從一台伺服器發送的信息能到達目標伺服器，而不會在途中丟失。但是隨著數據傳輸速率的不斷增長，電氣開關已經達到了它的處理極限。電氣開關產生的熱量非常大，即便向一個開關上塞進更多的晶體管，它們產生的熱量也會開始造成一定的限制。業界預計，這種趨勢可能還會延續兩代。之後，一些更根本的東西必須被改變。某些人認為光學會起到幫助作用。

創新

近日，美國加州大學伯克利分校（UC Berkeley）的工程師們開發出一種新型光子開關，它能比以往更快、更有效地控制光線通過光纖的方向。有朝一日，這種光學「交警」將會徹底改變信息在數據中心和高性能超級計算機中的傳輸方式，這些高性能超級計算機可應用於人工智慧和其他數據密集型應用。

相關論文於4月11日在線發表在《Optica》期刊上。

技術

光子開關是由5萬多個微型「光開關」構成，每個「光開關」都能引導240束微型光束中的一束。當開關打開時，光線向右轉；當開關關閉時，光線直接通過。240乘240的開關陣列蝕刻到硅晶圓中，佔據的面積僅比一枚郵票略大一點。

（圖片來源：Younghee Lee）

加州大學伯克利分校電氣工程與計算機科學系教授、這篇論文的高級作者吳明(音）表示：「在一個硅開關中，我們首次接近了只能採用體光學來構造的大型開關。我們的開關不僅大，而且速度快1萬倍。因此，我們可以用很多人都沒想到的有趣方法來切換數據網路。」

目前，可同時控制數百束光的光子開關，只能由鏡子或者透鏡組成。這些鏡子或者透鏡必須通過物理方法轉向，才能切換光線的方向。每次轉向需要十分之一秒才能完成，與電子數據傳輸速率相比，這個時間很漫長。然而，這種新型光子開關，由微型集成硅結構製成，可在幾分之一微秒的時間內開關，接近高速數據網路應用所必需的速度。

吳教授表示，伺服器網路由光纖連接，光子開關充當「交警」。光子開關需要的能量很少，並且不會產生任何熱量，所以它們不會面臨電氣開關那樣的極限。然而，目前的光子開關無法容納那麼多的連接，還會受到信號損耗的困擾（當光線通過開關時，亮度會變暗）。因此，光線到達目的地時，我們會很難從中讀出編碼的數據。

在新的光子開關中，光束穿過縱橫交錯的納米薄度的溝道陣列，然後到達這些單獨的光開關，每個光開關就像微觀世界的高速公路立交橋。當開關關閉時，光線直接穿過溝道。施加一個電壓打開開關，降低了斜坡，引導光線進入更高的溝道，使其旋轉90度，再由另一個斜坡，使光線降低，回到垂直的溝道。

下圖所示：每個單獨的「光開關」就像一個微型的高速公路立交橋。當開關關閉時，光線直接通過一個較低的溝道(紅線)。當開關打開時，會降低一個小斜坡，把光引導到上面的溝道，然後右轉(藍線)。第二個斜坡再將光線降低回來。

（圖片來源：Tae Joon Seok）

吳教授表示：「這就像一個高速公路匝道。所有的光線都上升，旋轉90度，然後再下降返回。這是一個非常高效的過程，比其他所有人在硅光子學中所做的都更高效。這個機制使我們能製造出低損耗的開關。」

團隊採用一項稱為「光刻」的技術，將開關結構蝕刻到硅晶圓中。目前，研究人員們可以製造出240×240的陣列結構，240個光輸入，240個光輸出，而且光損耗有限。這使它成為目前為止所報道的最大的硅基開關。他們正在完善製造技術，以創造出更大的開關。

晶圓上的每個淺灰色正方形都含有6400個光開關。（圖片來源：Kyungmok Kwon）

價值

吳教授表示：「採用體光學技術的更大的開關已經在市場上可以買到，但是它們非常慢，所以它們應用到無需頻繁更換的網路中。現在，計算機的運行速度非常快，所以你想要跟得上計算機的速度，就需要快得多的開關響應速度。我們開關的尺寸相同，但是卻快得多，所以它將在數據中心網路中開啟新的功能。」

關鍵字

數據中心、光學、開關、硅晶圓

參考資料

【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/

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