Ingenieurs aan de Universiteit van Californië, Berkeley heeft een nieuwe fotonische schakelaar gebouwd die de richting van het licht dat door optische vezels gaat, sneller en efficiënter dan ooit kan regelen. Deze optische "verkeersagent" zou op een dag een revolutie kunnen teweegbrengen in de manier waarop informatie door datacenters en krachtige supercomputers reist die worden gebruikt voor kunstmatige intelligentie en andere data-intensieve toepassingen.

De fotonische schakelaar is gebouwd met meer dan 50, 000 microscopisch kleine "lichtschakelaars, " die elk een van de 240 kleine lichtbundels sturen om ofwel een bocht naar rechts te maken als de schakelaar aan staat, of om er rechtdoor te gaan als de schakelaar uit staat. De reeks schakelaars van 240 bij 240 is geëtst in een siliciumwafel en beslaat een gebied dat slechts iets groter is dan een postzegel.

"Voor de eerste keer in een siliciumschakelaar, we naderen de grote schakelaars die mensen alleen kunnen bouwen met bulkoptica, " zei Ming Wu, hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen aan UC Berkeley en senior auteur van het artikel, die WANNEER in het tijdschrift verschijnt optiek . "Onze schakelaars zijn niet alleen groot, maar ze zijn 10, 000 keer sneller, dus we kunnen van datanetwerk wisselen op interessante manieren waar nog niet veel mensen aan hebben gedacht."

Momenteel, de enige fotonische schakelaars die honderden lichtstralen tegelijk kunnen regelen, zijn gebouwd met spiegels of lenzen die fysiek moeten worden gedraaid om de richting van het licht te veranderen. Elke beurt duurt ongeveer een tiende van een seconde om te voltooien, dat is eonen vergeleken met elektronische gegevensoverdrachtsnelheden. De nieuwe fotonische schakelaar is gebouwd met behulp van kleine geïntegreerde siliciumstructuren die in een fractie van een microseconde kunnen worden in- en uitgeschakeld, de snelheid benadert die nodig is voor gebruik in snelle datanetwerken.

Verkeersagenten op de informatiesnelweg

Datacenters - waar onze foto's, video's en documenten die in de cloud zijn opgeslagen, worden opgeslagen - zijn samengesteld uit honderdduizenden servers die constant informatie heen en weer sturen. Elektrische schakelaars fungeren als verkeersagenten, ervoor zorgen dat informatie die vanaf de ene server wordt verzonden, de doelserver bereikt en onderweg niet verloren gaat.

Maar naarmate de gegevensoverdrachtsnelheden blijven groeien, we bereiken de grenzen van wat elektrische schakelaars aankunnen, zei Wu.

"Elektrische schakelaars genereren zoveel warmte, dus ook al zouden we meer transistors op een schakelaar kunnen proppen, de warmte die ze genereren begint bepaalde grenzen te stellen, " zei hij. "De industrie verwacht de trend voor misschien nog twee generaties voort te zetten en, daarna, er moet iets fundamentelers veranderen. Sommige mensen denken dat optica kan helpen."

Servernetwerken kunnen in plaats daarvan worden verbonden door optische vezels, met fotonische schakelaars als verkeersagenten, zei Wu. Fotonische schakelaars hebben weinig stroom nodig en genereren geen warmte, dus ze hebben niet dezelfde beperkingen als elektrische schakelaars. Echter, huidige fotonische schakelaars kunnen niet zoveel verbindingen aan en worden ook geplaagd door signaalverlies - in wezen "dimt" het licht wanneer het door de schakelaar gaat - waardoor het moeilijk is om de gecodeerde gegevens te lezen zodra deze hun bestemming hebben bereikt.

In de nieuwe fotonische schakelaar, lichtstralen reizen door een kriskras reeks nanometer-dunne kanalen totdat ze deze individuele lichtschakelaars bereiken, die elk zijn gebouwd als een microscopisch snelwegviaduct. Als de schakelaar uit staat, het licht reist recht door het kanaal. Door een spanning aan te brengen, wordt de schakelaar ingeschakeld, het verlagen van een helling die het licht naar een hoger kanaal leidt, die het 90 graden draait. Een andere helling verlaagt het licht terug in een loodrecht kanaal.

"Het is letterlijk als een snelweghelling, ' zei Wu. 'Al het licht gaat omhoog, maakt een bocht van 90 graden en gaat dan weer naar beneden. En dit is een zeer efficiënt proces, efficiënter is dan wat iedereen doet op siliciumfotonica. Het is dit mechanisme dat ons in staat stelt om met lagere verliezen over te schakelen."

Het team gebruikt een techniek genaamd fotolithografie om de schakelstructuren in siliciumwafels te etsen. De onderzoekers kunnen momenteel structuren maken in een array van 240 bij 240 - 240 lichtingangen en 240 lichtuitgangen - met beperkt lichtverlies, waardoor het de grootste op silicium gebaseerde switch ooit is. Ze werken aan het perfectioneren van hun productietechniek om nog grotere schakelaars te maken.

"Grotere schakelaars die bulkoptica gebruiken, zijn in de handel verkrijgbaar, maar ze zijn erg traag, zodat ze bruikbaar zijn in een netwerk dat je niet te vaak verandert, ' zei Wu. 'Nu, computers werken erg snel, dus als u de computersnelheid wilt bijhouden, je hebt een veel snellere schakelreactie nodig. Onze schakelaar is even groot, maar veel sneller dus het zal nieuwe functies in datacenternetwerken mogelijk maken."