Ingénieurs de l'Université de Californie, Berkeley a construit un nouveau commutateur photonique qui peut contrôler la direction de la lumière passant à travers les fibres optiques plus rapidement et plus efficacement que jamais. Ce "flic de la circulation" optique pourrait un jour révolutionner la façon dont l'information circule dans les centres de données et les superordinateurs hautes performances utilisés pour l'intelligence artificielle et d'autres applications gourmandes en données.

Le commutateur photonique est construit avec plus de 50, 000 microscopiques "interrupteurs d'éclairage, " dont chacun dirige l'un des 240 minuscules faisceaux de lumière pour soit faire un virage à droite lorsque l'interrupteur est allumé, ou pour passer directement lorsque l'interrupteur est éteint. Le réseau de commutateurs de 240 x 240 est gravé dans une plaquette de silicium et couvre une zone à peine plus grande qu'un timbre-poste.

"Pour la première fois dans un interrupteur en silicium, nous approchons des grands commutateurs que les gens ne peuvent construire qu'avec des optiques en vrac, " dit Ming Wu, professeur de génie électrique et d'informatique à l'UC Berkeley et auteur principal de l'article, qui apparaît QUAND dans le journal Optique . "Nos commutateurs ne sont pas seulement grands, mais ils sont 10, 000 fois plus rapide, afin que nous puissions changer de réseau de données de manière intéressante à laquelle peu de gens ont pensé."

Actuellement, les seuls commutateurs photoniques qui peuvent contrôler des centaines de faisceaux lumineux à la fois sont construits avec des miroirs ou des lentilles qui doivent être physiquement tournés pour changer la direction de la lumière. Chaque tour prend environ un dixième de seconde à compléter, qui est des éons par rapport aux taux de transfert de données électroniques. Le nouveau commutateur photonique est construit à l'aide de minuscules structures de silicium intégrées qui peuvent s'allumer et s'éteindre en une fraction de microseconde, approcher de la vitesse nécessaire pour une utilisation dans les réseaux de données à haut débit.

Les agents de la circulation sur l'autoroute de l'information

Centres de données—où nos photos, les vidéos et les documents enregistrés dans le cloud sont stockés - sont composés de centaines de milliers de serveurs qui envoient constamment des informations dans les deux sens. Les interrupteurs électriques agissent comme des agents de la circulation, s'assurer que les informations envoyées depuis un serveur atteignent le serveur cible et ne se perdent pas en cours de route.

Mais comme les taux de transfert de données continuent d'augmenter, nous atteignons les limites de ce que peuvent gérer les interrupteurs électriques, dit Wu.

"Les interrupteurs électriques génèrent tellement de chaleur, donc même si nous pouvions entasser plus de transistors sur un interrupteur, la chaleur qu'ils génèrent commence à poser certaines limites, " a-t-il dit. " L'industrie s'attend à poursuivre la tendance pendant peut-être encore deux générations et, après ça, quelque chose de plus fondamental doit changer. Certaines personnes pensent que l'optique peut aider."

Les réseaux de serveurs pourraient plutôt être connectés par des fibres optiques, avec des commutateurs photoniques agissant comme les agents de la circulation, dit Wu. Les interrupteurs photoniques nécessitent très peu d'énergie et ne génèrent aucune chaleur, ils ne sont donc pas confrontés aux mêmes limitations que les interrupteurs électriques. Cependant, les commutateurs photoniques actuels ne peuvent pas accueillir autant de connexions et sont également en proie à une perte de signal - essentiellement "tamisant" la lumière lorsqu'elle passe à travers le commutateur - ce qui rend difficile la lecture des données codées une fois qu'elles atteignent leur destination.

Dans le nouveau commutateur photonique, les faisceaux de lumière voyagent à travers un réseau entrecroisé de canaux nanométriques jusqu'à ce qu'ils atteignent ces interrupteurs d'éclairage individuels, dont chacun est construit comme un viaduc autoroutier microscopique. Lorsque l'interrupteur est éteint, la lumière traverse directement le canal. L'application d'une tension active l'interrupteur, abaisser une rampe qui dirige la lumière dans un canal plus élevé, qui le fait tourner à 90 degrés. Une autre rampe abaisse la lumière dans un canal perpendiculaire.

"C'est littéralement comme une rampe d'autoroute, " Wu a dit. " Toute la lumière monte, fait un virage à 90 degrés puis redescend. Et c'est un processus très efficace, plus efficace que ce que tout le monde fait sur la photonique sur silicium. C'est ce mécanisme qui nous permet de faire des switchs à moindres pertes."

L'équipe utilise une technique appelée photolithographie pour graver les structures de commutation en plaquettes de silicium. Les chercheurs peuvent actuellement créer des structures dans un réseau de 240 x 240 - 240 entrées lumineuses et 240 sorties lumineuses - avec une perte de lumière limitée, ce qui en fait le plus grand commutateur à base de silicium jamais signalé. Ils travaillent à perfectionner leur technique de fabrication pour créer des interrupteurs encore plus gros.

« Des commutateurs plus grands qui utilisent des optiques en vrac sont disponibles dans le commerce, mais ils sont très lents, donc ils sont utilisables dans un réseau que l'on ne change pas trop souvent, " dit Wu. " Maintenant, les ordinateurs fonctionnent très vite, donc si vous voulez suivre la vitesse de l'ordinateur, vous avez besoin d'une réponse de commutation beaucoup plus rapide. Notre interrupteur est de la même taille, mais beaucoup plus vite, il permettra donc de nouvelles fonctions dans les réseaux de centres de données."