摘要：通过结合非厄米物理并使用硅基设计，这种开关不仅增强了对光行为的控制，还提供了与当前技术基础设施的兼容性，有望提供更快的互联网服务和更高效的数据中心。

宾夕法尼亚大学的研究人员已经开发出一种开创性的光子开关，可以大大提高光纤网络中数据传输的效率和速度。

通过结合非厄米物理并使用硅基设计，这种开关不仅增强了对光行为的控制，还提供了与当前技术基础设施的兼容性，有望提供更快的互联网服务和更高效的数据中心。

光子开关技术的突破

每一秒钟都有太字节的数据 —— 足以同时下载数千部电影 —— 以光纤电缆中的光脉冲的形式在世界各地传播。这些电缆的功能类似于超高速高速公路，但当数据到达数据中心的目的地时，它需要一个系统来有效地引导它，就像交通信号灯帮助汽车有序地离开高速公路一样。

传输这些光信号的光子开关长期以来一直面临着尺寸和速度之间的权衡。更大的交换机可以以更高的速度处理更多的数据，但会消耗更多的能量，占用更多的空间，并增加成本。

加快建设信息高速公路

在《自然光子学》中描述的一项突破中，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员开发了一种新型光子开关，克服了这一挑战。这种新型交换机每单位只有85 × 85微米，比一粒盐还小，它将彻底改变数据在全球网络中的传输方式。

通过以前所未有的效率在纳米尺度上操纵光，这种新的开关加快了在环绕全球的光纤电缆的信息高速公路上获取数据的过程。“这有可能加速从流媒体电影到训练人工智能的一切，”材料科学与工程（MSE）和电气与系统工程（ESE）教授、该论文的资深作者梁峰（音译）说。

利用非厄米物理

这种新开关依赖于非厄米物理，这是量子力学的一个分支，它探索某些系统如何以不寻常的方式运行，使研究人员能够更好地控制光的行为。“我们可以调整材料的增益和损失，将光信号引导到正确的信息高速公路出口，”ESE的博士生、该论文的第一作者冯锡林（音译）说。换句话说，独特的物理原理使研究人员能够控制微小芯片上的光流，从而精确控制任何基于光的网络连接。

结果是，新的开关可以在万亿分之一秒内以最小的功耗重定向信号。“这比眨眼的速度快10亿倍，”MSE的博士生、该论文的合著者吴爽（音译）说。“以前的开关要么小要么快，但同时实现这两种特性非常非常困难。”

硅集成的优势

这种新型开关的另一个显著特点是部分由硅制成，硅是一种廉价且广泛使用的工业标准材料。“非厄米开关以前从未在硅光子学平台上被证明过，”吴爽说。

从理论上讲，将硅集成到开关中将有助于大规模生产和在工业中广泛采用该设备。从电脑到智能手机，硅是大多数技术的关键组成部分；使用硅制造器件使其与现有的硅光子代工厂完全兼容，这些代工厂为图形处理单元（GPU）等设备制造先进的芯片。

器件制造的挑战

在硅层的顶部，开关由一种特殊类型的半导体组成，这种半导体是由砷化铟镓磷化物（InGaAsP）制成的，这种材料在操纵红外波长的光方面特别有效，比如那些通常在海底光缆中传输的光。

将这两层连接起来是很有挑战性的，需要多次尝试来构建一个工作原型。“这就像做三明治一样，”冯锡林说，他指的是把一层一层地加起来。只是，在这种情况下，如果这些层中的任何一层有一点点错位，三明治就完全不能吃了。“校准需要纳米级的精度，”吴爽说。

数据中心转型

研究人员表示，最终，这种新型交换机不仅将使学术物理学家受益，他们现在可以进一步探索转换所依赖的非厄米物理学，还将使维护和建设数据中心的公司以及依赖它们的数十亿用户受益。梁峰说：“只有在我们能够控制数据的情况下，数据才能以最快的速度运行。”“在我们的实验中，我们证明了我们系统的速度限制仅为100皮秒。”

来源：小轩科技天地