Mảng lớn nhất, nhanh nhất của ‘cảnh sát giao thông’ cho truyền thông quang học

Các kỹ sư tại Đại học California, Berkeley đã chế tạo một công tắc quang tử mới có thể điều khiển hướng ánh sáng truyền qua các sợi quang nhanh hơn và hiệu quả hơn bao giờ hết. “Cảnh sát giao thông” quang học này một ngày nào đó có thể cách mạng hóa cách thông tin di chuyển qua các trung tâm dữ liệu và siêu máy tính hiệu suất cao được sử dụng cho trí tuệ nhân tạo và các ứng dụng sử dụng nhiều dữ liệu khác.

Công tắc quang tử được chế tạo với hơn 50.000 “công tắc đèn” siêu nhỏ, mỗi công tắc điều khiển một trong 240 chùm ánh sáng nhỏ để rẽ phải khi bật công tắc hoặc chuyển thẳng khi tắt công tắc. Mảng công tắc 240 x 240 được khắc vào một tấm wafer silicon và có diện tích chỉ lớn hơn một chút so với tem bưu chính.

“Lần đầu tiên trong một công tắc silicon, chúng tôi đang tiếp cận các công tắc lớn mà mọi người chỉ có thể xây dựng bằng quang học số lượng lớn”, Ming Wu, giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tính tại UC Berkeley và tác giả của bài báo xuất hiện KHI NÀO trong tạp chí Optica . “Các thiết bị chuyển mạch của chúng tôi không chỉ lớn mà còn nhanh hơn 10.000 lần, vì vậy chúng tôi có thể chuyển đổi mạng dữ liệu theo những cách thú vị mà không nhiều người nghĩ tới.”

Hiện tại, các công tắc quang tử duy nhất có thể điều khiển hàng trăm chùm ánh sáng cùng một lúc được chế tạo với gương hoặc thấu kính phải được quay vật lý để chuyển hướng ánh sáng. Mỗi lượt mất khoảng một phần mười giây để hoàn thành, đó là vô số so với tốc độ truyền dữ liệu điện tử. Công tắc quang tử mới được chế tạo bằng các cấu trúc silicon tích hợp nhỏ có thể bật và tắt trong một phần của một phần triệu giây, tiếp cận tốc độ cần thiết để sử dụng trong các mạng dữ liệu tốc độ cao.

‘Cảnh sát giao thông’ trên đường cao tốc thông tin

“Các trung tâm dữ liệu – nơi lưu trữ ảnh, video và tài liệu của chúng tôi trong đám mây – bao gồm hàng trăm ngàn máy chủ liên tục gửi thông tin qua lại. Công tắc điện đóng vai trò là cảnh sát giao thông, đảm bảo rằng thông tin được gửi từ một máy chủ đến máy chủ mục tiêu và không bị lạc đường. Nhưng khi tốc độ truyền dữ liệu tiếp tục tăng, chúng tôi đang đạt đến giới hạn của những gì công tắc điện có thể xử lý”, Wu nói.

“Các công tắc điện tạo ra rất nhiều nhiệt, vì vậy mặc dù chúng ta có thể nhồi nhét nhiều bóng bán dẫn hơn vào một công tắc, nhiệt mà chúng tạo ra đang bắt đầu đặt ra những giới hạn nhất định”, ông nói. “Ngành công nghiệp hy vọng sẽ tiếp tục xu hướng có thể thêm hai thế hệ nữa và sau đó, một cái gì đó cơ bản hơn phải thay đổi. Một số người đang nghĩ rằng quang học có thể giúp đỡ.”

Thay vào đó, các mạng máy chủ có thể được kết nối bằng các sợi quang, với các công tắc quang tử đóng vai trò là cảnh sát giao thông, Wu nói. Công tắc quang tử đòi hỏi rất ít năng lượng và không tạo ra bất kỳ nhiệt nào, vì vậy chúng không gặp phải những hạn chế giống như công tắc điện. Tuy nhiên, các công tắc quang tử hiện tại không thể chứa được nhiều kết nối và cũng bị mất tín hiệu – về cơ bản là “làm mờ” ánh sáng khi nó đi qua công tắc – điều này khiến cho việc đọc dữ liệu được mã hóa trở nên khó khăn khi đến đích.

Trong công tắc quang tử mới, các chùm ánh sáng truyền qua một dải các kênh mỏng nanomet cho đến khi chúng chạm tới các công tắc ánh sáng riêng lẻ này, mỗi chùm được chế tạo giống như một cầu vượt đường cao tốc siêu nhỏ. Khi tắt công tắc, ánh sáng đi thẳng qua kênh. Áp dụng một điện áp bật công tắc, hạ thấp một đoạn dốc hướng ánh sáng vào một kênh cao hơn, làm cho nó quay 90 độ. Một đoạn đường nối khác làm giảm ánh sáng trở lại thành một kênh vuông góc.

“Nó thực sự giống như một đoạn đường cao tốc,” Wu nói. “Tất cả ánh sáng đều tăng lên, quay 90 độ rồi quay xuống. Và đây là một quá trình rất hiệu quả, hiệu quả hơn những gì mọi người đang làm trên photon silicon. Đây là cơ chế cho phép chúng ta hạ thấp – loss công tắc. “

Nhóm nghiên cứu sử dụng một kỹ thuật gọi là quang khắc để khắc các cấu trúc chuyển mạch thành các tấm silicon. Các nhà nghiên cứu hiện có thể tạo ra các cấu trúc trong một mảng 240 x 240 – 240 đầu vào ánh sáng và 240 đầu ra ánh sáng – với sự mất ánh sáng hạn chế, làm cho nó trở thành công tắc dựa trên silicon lớn nhất từng được báo cáo. Họ đang làm việc để hoàn thiện kỹ thuật sản xuất của mình để tạo ra các thiết bị chuyển mạch lớn hơn.

“Các thiết bị chuyển mạch lớn hơn sử dụng quang học số lượng lớn có sẵn trên thị trường, nhưng chúng rất chậm, vì vậy chúng có thể sử dụng được trong một mạng mà bạn không thay đổi quá thường xuyên”, Wu nói. “Bây giờ, máy tính hoạt động rất nhanh, vì vậy nếu bạn muốn theo kịp tốc độ máy tính, bạn cần phản ứng chuyển đổi nhanh hơn nhiều. Công tắc của chúng tôi có cùng kích thước, nhưng nhanh hơn nhiều, vì vậy nó sẽ kích hoạt các chức năng mới trong mạng trung tâm dữ liệu.”

Nguồn tin tức:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học California – Berkeley . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Tae Joon Seok, Kyungmok Kwon, Johannes Henriksson, Jianheng Luo, Ming C. Wu. Công tắc photonic silicon quy mô wafer vượt quá giới hạn kích thước chết . Optica , 2019; 6 (4): 490 DOI: 10.1364 / TỐI ƯU.6.000490