新型硅光子开关：效率更高、速度更快！

据美国加州大学伯克利分校官网近日报道，该校工程师开发出一种新型光子开关，它能比以往更快、更有效地控制光线通过光纤的方向。有朝一日，这种光学“交警”将会彻底改变信息在数据中心和高性能超级计算机中的传输方式。

背景

数据中心是云端的图片、视频、文件存储的地方。它由数十万台服务器组成，这些服务器不断地来回发送信息。

欧洲核子研究组织（CERN）的数据中心（图片来源：维基百科）

电气开关扮演着“交警”的角色，确保从一台服务器发送的信息能到达目标服务器，而不会在途中丢失。但是随着数据传输速率的不断增长，电气开关已经达到了它的处理极限。电气开关产生的热量非常大，即便向一个开关上塞进更多的晶体管，它们产生的热量也会开始造成一定的限制。业界预计，这种趋势可能还会延续两代。之后，一些更根本的东西必须被改变。某些人认为光学会起到帮助作用。

创新

近日，美国加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的工程师们开发出一种新型光子开关，它能比以往更快、更有效地控制光线通过光纤的方向。有朝一日，这种光学“交警”将会彻底改变信息在数据中心和高性能超级计算机中的传输方式，这些高性能超级计算机可应用于人工智能和其他数据密集型应用。

相关论文于4月11日在线发表在《Optica》期刊上。

技术

光子开关是由5万多个微型“光开关”构成，每个“光开关”都能引导240束微型光束中的一束。当开关打开时，光线向右转；当开关关闭时，光线直接通过。240乘240的开关阵列蚀刻到硅晶圆中，占据的面积仅比一枚邮票略大一点。

（图片来源：Younghee Lee）

加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系教授、这篇论文的高级作者吴明(音）表示：“在一个硅开关中，我们首次接近了只能采用体光学来构造的大型开关。我们的开关不仅大，而且速度快1万倍。因此，我们可以用很多人都没想到的有趣方法来切换数据网络。”

目前，可同时控制数百束光的光子开关，只能由镜子或者透镜组成。这些镜子或者透镜必须通过物理方法转向，才能切换光线的方向。每次转向需要十分之一秒才能完成，与电子数据传输速率相比，这个时间很漫长。然而，这种新型光子开关，由微型集成硅结构制成，可在几分之一微秒的时间内开关，接近高速数据网络应用所必需的速度。

吴教授表示，服务器网络由光纤连接，光子开关充当“交警”。光子开关需要的能量很少，并且不会产生任何热量，所以它们不会面临电气开关那样的极限。然而，目前的光子开关无法容纳那么多的连接，还会受到信号损耗的困扰（当光线通过开关时，亮度会变暗）。因此，光线到达目的地时，我们会很难从中读出编码的数据。

在新的光子开关中，光束穿过纵横交错的纳米薄度的沟道阵列，然后到达这些单独的光开关，每个光开关就像微观世界的高速公路立交桥。当开关关闭时，光线直接穿过沟道。施加一个电压打开开关，降低了斜坡，引导光线进入更高的沟道，使其旋转90度，再由另一个斜坡，使光线降低，回到垂直的沟道。

下图所示：每个单独的“光开关”就像一个微型的高速公路立交桥。当开关关闭时，光线直接通过一个较低的沟道(红线)。当开关打开时，会降低一个小斜坡，把光引导到上面的沟道，然后右转(蓝线)。第二个斜坡再将光线降低回来。

（图片来源：Tae Joon Seok）

吴教授表示：“这就像一个高速公路匝道。所有的光线都上升，旋转90度，然后再下降返回。这是一个非常高效的过程，比其他所有人在硅光子学中所做的都更高效。这个机制使我们能制造出低损耗的开关。”

团队采用一项称为“光刻”的技术，将开关结构蚀刻到硅晶圆中。目前，研究人员们可以制造出240×240的阵列结构，240个光输入，240个光输出，而且光损耗有限。这使它成为目前为止所报道的最大的硅基开关。他们正在完善制造技术，以创造出更大的开关。

晶圆上的每个浅灰色正方形都含有6400个光开关。（图片来源：Kyungmok Kwon）

价值

吴教授表示：“采用体光学技术的更大的开关已经在市场上可以买到，但是它们非常慢，所以它们应用到无需频繁更换的网络中。现在，计算机的运行速度非常快，所以你想要跟得上计算机的速度，就需要快得多的开关响应速度。我们开关的尺寸相同，但是却快得多，所以它将在数据中心网络中开启新的功能。”

关键字

数据中心、光学、开关、硅晶圆

参考资料

【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/