Ingegneri dell'Università della California, Berkeley ha costruito un nuovo interruttore fotonico in grado di controllare la direzione della luce che passa attraverso le fibre ottiche in modo più rapido ed efficiente che mai. Questo "poliziotto del traffico" ottico potrebbe un giorno rivoluzionare il modo in cui le informazioni viaggiano attraverso i data center e i supercomputer ad alte prestazioni utilizzati per l'intelligenza artificiale e altre applicazioni ad alta intensità di dati.

L'interruttore fotonico è costruito con più di 50, 000 microscopici "interruttori della luce, " ognuno dei quali dirige uno dei 240 minuscoli raggi di luce per girare a destra quando l'interruttore è acceso, o per passare direttamente quando l'interruttore è spento. L'array di switch 240x240 è inciso su un wafer di silicio e copre un'area solo leggermente più grande di un francobollo.

"Per la prima volta in un interruttore al silicio, ci stiamo avvicinando ai grandi interruttori che le persone possono costruire solo utilizzando ottiche di massa, " disse Ming Wu, professore di ingegneria elettrica e informatica alla UC Berkeley e autore senior del documento, che appare QUANDO nel diario ottica . "I nostri interruttori non sono solo grandi, ma sono 10, 000 volte più veloce, così possiamo cambiare le reti di dati in modi interessanti a cui non molte persone hanno pensato."

Attualmente, gli unici interruttori fotonici che possono controllare centinaia di fasci di luce contemporaneamente sono costruiti con specchi o lenti che devono essere fisicamente ruotati per cambiare la direzione della luce. Ogni turno impiega circa un decimo di secondo per essere completato, che è eoni rispetto alle velocità di trasferimento elettronico dei dati. Il nuovo interruttore fotonico è costruito utilizzando minuscole strutture di silicio integrate che possono accendersi e spegnersi in una frazione di microsecondo, si avvicina alla velocità necessaria per l'uso in reti di dati ad alta velocità.

Vigili del traffico sull'autostrada dell'informazione

Data center, dove le nostre foto, i video e i documenti salvati nel cloud sono archiviati:sono composti da centinaia di migliaia di server che inviano costantemente informazioni avanti e indietro. Gli interruttori elettrici fungono da vigili urbani, assicurandosi che le informazioni inviate da un server raggiungano il server di destinazione e non si perdano lungo la strada.

Ma poiché le velocità di trasferimento dei dati continuano a crescere, stiamo raggiungendo i limiti di ciò che gli interruttori elettrici possono gestire, Wu ha detto.

"Gli interruttori elettrici generano così tanto calore, quindi, anche se potremmo stipare più transistor su un interruttore, il calore che generano comincia a porre dei limiti, " ha detto. "L'industria prevede di continuare la tendenza per forse altre due generazioni e, dopo di che, qualcosa di più fondamentale deve cambiare. Alcune persone pensano che l'ottica possa aiutare".

Le reti di server potrebbero invece essere collegate tramite fibre ottiche, con interruttori fotonici che fungono da vigili urbani, Wu ha detto. Gli interruttori fotonici richiedono pochissima potenza e non generano calore, quindi non devono affrontare le stesse limitazioni degli interruttori elettrici. Però, gli attuali interruttori fotonici non possono ospitare tante connessioni e sono anche afflitti dalla perdita di segnale, essenzialmente "attenuando" la luce mentre passa attraverso l'interruttore, il che rende difficile leggere i dati codificati una volta raggiunta la destinazione.

Nel nuovo interruttore fotonico, i fasci di luce viaggiano attraverso una serie incrociata di canali sottili nanometri fino a raggiungere questi singoli interruttori della luce, ognuno dei quali è costruito come un microscopico cavalcavia autostradale. Quando l'interruttore è spento, la luce viaggia dritta attraverso il canale. Applicando una tensione si accende l'interruttore, abbassando una rampa che dirige la luce in un canale più alto, che lo fa girare di 90 gradi. Un'altra rampa abbassa la luce in un canale perpendicolare.

"È letteralmente come una rampa di un'autostrada, " Wu ha detto. "Tutta la luce si alza, fa un giro di 90 gradi e poi torna indietro. E questo è un processo molto efficiente, più efficiente di quello che fanno tutti gli altri sulla fotonica del silicio. È questo meccanismo che ci consente di effettuare switch con perdite inferiori".

Il team utilizza una tecnica chiamata fotolitografia per incidere le strutture di commutazione in wafer di silicio. I ricercatori sono attualmente in grado di realizzare strutture in un array 240x240—240 ingressi di luce e 240 uscite di luce—con perdita di luce limitata, rendendolo il più grande switch basato su silicio mai riportato. Stanno lavorando per perfezionare la loro tecnica di produzione per creare interruttori ancora più grandi.

"Sono disponibili in commercio switch più grandi che utilizzano ottiche di massa, ma sono molto lenti, quindi sono utilizzabili in una rete che non cambi troppo frequentemente, " Wu ha detto. "Ora, i computer funzionano molto velocemente, quindi se vuoi stare al passo con la velocità del computer, hai bisogno di una risposta dell'interruttore molto più veloce. Il nostro interruttore ha le stesse dimensioni, ma molto più veloce, quindi abiliterà nuove funzioni nelle reti dei data center."