最大、最快的微型光通信“交警”队列诞生！

加州大学伯克利分校工程师们建造了一种新的光子开关，它可以比以往更快更有效地控制光通过光纤的方向。这种光学“交警”有朝一日可能会彻底改变信息在数据中心和高性能超级计算机之间的传输方式，这些超级计算机用于人工智能和其他数据密集型应用。这种光子开关由5万多个微型“光开关”组成，每一个都能引导240束微小光束中的一束，要么在开关打开时右转，要么在开关关闭时直接通过。

博科园：240×240的开关阵列蚀刻在一块硅片上，占地面积仅略大于一张邮票。加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学教授、该论文的资深作者吴明(音译)表示：在硅开关领域，我们第一次接近了人们只能用体积光学来建造的大型开关，该论文发表在《光学学报》(Optica)上。交换机不仅大，而且速度快1万倍，所以我们可以用很多人没有想到的有趣方式切换数据网络。

这种光子开关是由5万多个微型“光开关”蚀刻在硅片上制成，每一个电灯开关(小的凸起的正方形)引导240束小光束中的一束，要么在开关打开时右转，要么在开关关闭时直接通过。 图片：Younghee Lee graphic

目前，唯一能够同时控制数百束光束的光子开关是由镜子或透镜组成，这些镜子或透镜必须在物理上转动才能改变光的方向。每一圈大约需要十分之一秒的时间来完成，与电子数据传输速度相比，这是漫长的时间。这种新型光子开关是由微型集成硅结构制成，这种硅结构可以在不到微秒的时间内开关，接近高速数据网络所需的速度。

信息高速公路上的交警

数据中心（存储在云中的照片、视频和文档的地方）由成千上万的服务器组成，这些服务器不断地来回发送信息。电子开关扮演着交警的角色，确保从一台服务器发送的信息到达目标服务器，并且不会在途中丢失。但是随着数据传输速率的不断增长，已经达到了电气开关所能处理的极限。电子开关产生的热量如此之大，所以即使可以在一个开关上塞进更多的晶体管，它们产生的热量也开始构成一定限制。

这种光子开关是利用光刻技术制造，在光刻技术中，每个“光开关”结构都蚀刻在硅片上，晶圆上的每个浅灰色正方形包含6400个这样的开关。 图片：Kyungmok Kwon

业界预计，这种趋势可能还会延续两代人，在那之后，一些更根本的东西必须改变。一些人认为光学可以提供帮助。服务器网络可以用光纤连接，用光子开关充当交警。光子开关只需要很少的能量，也不产生任何热量，因此它们不会面临与电子开关相同的限制。然而，目前的光子开关不能容纳那么多的连接，而且还受到信号损耗的困扰（当光通过开关时，基本上会“调暗”光）这使得编码数据一旦到达目的地就很难读取。

在这种新型的光子开关中，光束通过一系列纵横交错的纳米级细通道，直到到达这些单独的光开关，每个光开关都像微型高速公路立交桥一样建造。当开关关闭时，光直接穿过通道。施加一个电压打开开关，降低一个斜坡，引导光线进入一个更高的通道，使其旋转90度。另一个斜坡将光线降低到垂直的通道。这简直就像一个高速公路坡道，所有灯都亮起来，转90度，然后再转回来。这是一个非常高效的过程，比其他所有人在硅光子学上做的都要高效。正是这种机制让我们能够做出更低损耗的开关。研究小组使用光刻技术将开关结构蚀刻成硅片。

每一个单独的“电开关”就像一个微型公路立交桥，当开关关闭时，光直接通过一个较低的通道(红线)。打开开关会降低一个很小的斜坡，把光引导到上面的通道，然后右转(蓝线)。第二个斜坡降低了灯光。 图片：Tae Joon Seok image

研究人员目前可以在240×240阵列的240个光输入和240个光输出中制造结构，而且光损耗有限，这使得它成为有史以来最大的硅基开关，正在努力完善他们的制造技术，以制造更大的开关。使用体积光学元件的大型交换机在商业上是可以买到，但是它们的速度很慢，所以它们可以在网络中使用，而不需要频繁地更换它们。现在，计算机的工作速度非常快，所以如果你想跟上计算机的速度，需要更快的开关响应。新研究的交换机大小相同，但速度快得多，因此它将在数据中心网络中启用新功能。

博科园-科学科普｜研究/来自: 加州大学伯克利分校

参考期刊文献:《光学学报》

DOI: 10.1364/OPTICA.6.000490

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