Революция в оптоволоконных сетях: фотонный переключатель размером меньше крупинки соли ускорит передачу данных

Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Университета Пенсильвании (Penn Engineering) разработали фотонный переключатель, который может значительно ускорить обработку данных в оптоволоконных сетях.

Каждую секунду терабайты данных, эквивалентные тысячам фильмов, передаются по всему миру в виде световых сигналов по оптоволоконным кабелям. Когда эта информация достигает центров обработки данных, ей требуется система коммутации. До настоящего времени фотонные переключатели, используемые для маршрутизации оптических сигналов, сталкивались с фундаментальным компромиссом между размером и скоростью: более крупные переключатели могли обрабатывать большие объёмы данных на высоких скоростях, но потребляли больше энергии и занимали больше физического пространства.

Новый переключатель, размером всего 85 на 85 микрометров, преодолевает эти ограничения. «Это изобретение потенциально может ускорить всё: от потоковой передачи фильмов до обучения искусственного интеллекта», — говорит Лян Фэн, профессор материаловедения и инженерии, а также электротехники и системной инженерии, ведущий автор исследования.

Устройство основано на неэрмитовой физике — разделе квантовой механики, изучающем необычное поведение определённых систем. «Мы можем настраивать усиление и затухание материала, чтобы направлять оптический сигнал к нужному выходу информационной магистрали», — объясняет Силин Фэн, аспирант и главный автор статьи.

Важной особенностью нового переключателя является использование кремния — недорогого и широкодоступного промышленного материала. Это делает возможным массовое производство устройства. Помимо кремниевого слоя, переключатель содержит полупроводник из фосфида индия-галлия-мышьяка (InGaAsP), который эффективно манипулирует инфракрасным излучением, используемым в подводных оптических кабелях. Соединение этих слоёв потребовало множества попыток для создания работающего прототипа, так как даже малейшее смещение могло привести к неработоспособности устройства.

Новая разработка принесёт пользу не только академическим физикам, изучающим неэрмитову физику, но и компаниям, обслуживающим центры обработки данных, а также миллиардам пользователей, которые от них зависят. Переключатель способен перенаправлять сигналы за триллионные доли секунды при минимальном энергопотреблении, что делает его прорывом в области оптических коммуникаций.