服务案例

宾夕法尼亚大学的研究人员成功开发出一种具有开创性的光子开关，这一成果有望显著提升光纤网络中数据传输的效率与速度。

该研究团队巧妙结合非厄米物理原理，并采用硅基设计方案，使得这种光子开关不仅能够更精准地控制光的行为，还确保了与现有技术基础设施的高度兼容性，为提供更快速的互联网服务以及构建更高效的数据中心带来了新的可能。

光子开关技术的重大突破

在当今数字化时代，每一秒钟都有海量的数据——足以同时下载数千部电影——以光纤电缆中光脉冲的形式在全球范围内飞速传播。这些光纤电缆犹如超高速的高速公路，然而当数据抵达数据中心这一目的地时，就需要一个高效引导系统，恰似交通信号灯帮助汽车有序地驶离高速公路一般。

长期以来，传输光信号的光子开关一直面临着尺寸与速度之间的艰难权衡。较大的交换机虽然能够以更高速度处理更多数据，但却会消耗更多能量、占用更大空间，并且增加成本。

加速建设信息高速公路

在发表于《自然光子学》的一项突破性研究中，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究团队成功研发出一种新型光子开关，有效克服了上述挑战。这种新型交换机每单位面积仅有85 × 85微米，比一粒盐还要小，它将彻底改变数据在全球网络中的传输方式。

通过在纳米尺度上以前所未有的效率操纵光，这种新型开关加快了在环绕全球的光纤电缆这一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等各个领域的发展，”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表示。

借助非厄米物理原理

这种新型开关依赖于非厄米物理，这是量子力学的一个重要分支，它探索某些系统如何以不寻常的方式运行，从而使研究人员能够更精准地控制光的行为。“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解释道。换句话说，独特的物理原理使研究人员能够精确控制微小芯片上的光流，进而实现对任何基于光的网络连接的精确操控。

结果是，新的开关能够在万亿分之一秒内以极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说。“以前的开关要么体积小要么速度快，但要同时具备这两种特性是非常困难的。”

硅集成的独特优势

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应用的工业标准材料。“非厄米开关以前从未在硅光子学平台上得到验证，”吴爽介绍道。

从理论上讲，将硅集成到开关中有助于实现大规模生产和在工业中的广泛应用。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，这些代工厂负责为图形处理单元（GPU）等设备制造先进的芯片。

器件制造面临的挑战

在硅层的顶部，开关由一种特殊的半导体组成，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表现出色，比如那些通常在海底光缆中传输的光。

将这两层连接起来极具挑战性，需要多次尝试才能构建出一个工作原型。“这就像做三明治一样，”冯锡林形象地说，他指的是把一层一层地叠加起来。只是在这种情况下，如果这些层中的任何一层稍有错位，整个“三明治”就无法正常工作。“校准需要达到纳米级的精度，”吴爽强调道。

数据中心的转型机遇

研究人员表示，最终，这种新型交换机不仅将为学术物理学家带来益处，使他们能够进一步探索转换所依赖的非厄米物理学，还将惠及维护和建设数据中心的公司以及依赖它们的数十亿用户。梁峰指出：“只有在我们能够有效控制数据的情况下，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。”