Jede Sekunde reisen Terabytes an Daten – das entspricht dem Herunterladen von Tausenden von Filmen auf einmal – als Licht in Glasfaserkabeln um die Welt, wie so viele Autos auf einer superschnellen Autobahn. Wenn diese Daten in den Rechenzentren ankommen, brauchen sie ein Vermittlungssystem, so wie Autos Ampeln brauchen, um die Autobahn geordnet zu verlassen. Bisher wurden die photonischen Schalter, die für die Weiterleitung optischer Signale verwendet werden, durch einen grundlegenden Kompromiss zwischen Größe und Geschwindigkeit behindert: Größere Switches können höhere Geschwindigkeiten und mehr Daten verarbeiten, verbrauchen aber auch mehr Energie, nehmen mehr Platz ein und treiben die Kosten in die Höhe.
Beschleunigung der Datenautobahn
In einer neuen Veröffentlichung beschreiben Forscher der University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science (Penn Engineering) die Entwicklung eines neuartigen photonischen Schalters, der diesen Größen-Geschwindigkeits-Kompromiss überwindet. Mit nur 85 mal 85 µm sind die Einheiten des neuen Schalters kleiner als ein Salzkorn.
Durch die Manipulation von Licht auf der Nanoskala mit einer noch nie dagewesenen Effizienz beschleunigt der neue Schalter den Prozess der Übertragung von Daten auf und von der buchstäblichen Datenautobahn aus Glasfaserkabeln, die den gesamten Globus umspannt. „Dies hat das Potenzial, alles zu beschleunigen, vom Streaming von Filmen bis zum Training von Künstlicher Intelligenz“, sagt Liang Feng, Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (MSE) sowie für Elektro- und Systemtechnik (ESE) und Erstautor der Studie.
Quantenmechanik trifft auf Optik
Der neue Schalter stützt sich auf die nicht-hermitsche Physik, einen Zweig der Quantenmechanik, der erforscht, wie sich bestimmte Systeme auf ungewöhnliche Weise verhalten, und gibt den Forschern mehr Kontrolle über das Verhalten des Lichts. „Wir können die Verstärkung und den Verlust des Materials so einstellen, dass das optische Signal zum richtigen Ausgang der Datenautobahn geleitet wird“, sagt Xilin Feng, Doktorand in ESE und Erstautor der Arbeit. Mit anderen Worten, die einzigartige Physik, die hier im Spiel ist, erlaubt es den Forschern, den Lichtfluss auf dem winzigen Chip zu zähmen und die Konnektivität jedes lichtbasierten Netzwerks präzise zu steuern.
Das Ergebnis ist, dass der neue Schalter Signale in Billionstel-Sekunden bei minimalem Stromverbrauch umleiten kann. „Das ist etwa eine Milliarde Mal schneller als ein Wimpernschlag“, sagt Shuang Wu, Doktorand in MSE und Mitautor der Arbeit. „Bisherige Schalter waren entweder klein oder schnell, aber es ist sehr, sehr schwierig, diese beiden Eigenschaften gleichzeitig zu erreichen.“
Skalierbarkeit durch Silizium
Der neue Schalter zeichnet sich auch dadurch aus, dass er zum Teil aus Silizium besteht, einem kostengünstigen und weit verbreiteten Standardmaterial der Industrie. „Das nicht-hermitsche Schalten wurde noch nie in einer Silizium-Photonik-Plattform demonstriert“, sagt Wu. Theoretisch wird die Einbindung von Silizium in den Schalter die Skalierung des Geräts für die Massenproduktion und die breite Einführung in der Industrie erleichtern. Silizium ist eine Schlüsselkomponente in den meisten Technologien, von Computern bis hin zu Smartphones. Durch die Verwendung von Silizium ist das Gerät vollständig kompatibel mit bestehenden Silizium-Photonik-Foundries, die fortschrittliche Chips für Geräte wie Grafikprozessoren (GPUs) herstellen.
Vom Konzept zum Prototyp
Über der Siliziumschicht besteht der Schalter aus einer besonderen Art von Halbleiter, der aus Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (InGaAsP) hergestellt wird, einem Material, das besonders effektiv bei der Manipulation infraroter Lichtwellenlängen ist, wie sie typischerweise in optischen Unterseekabeln übertragen werden.
Das Zusammenfügen der beiden Schichten erwies sich als schwierig und erforderte zahlreiche Versuche, um einen funktionierenden Prototyp zu bauen. „Es ist ähnlich wie bei der Herstellung eines Sandwichs“, sagt Xilin Feng und meint damit das Zusammenfügen der Schichten. Nur dass in diesem Fall das Sandwich völlig ungenießbar wäre, wenn eine dieser Schichten auch nur um ein winziges Grad falsch ausgerichtet wäre. „Die Ausrichtung erfordert eine Genauigkeit im Nanometerbereich“, erklärt Wu.
Rechenzentren umgestalten
Letztendlich, so die Forscher, wird der neue Schalter nicht nur akademischen Physikern zugute kommen, die nun die nicht-hermitesche Physik, von der der Schalter abhängt, weiter erforschen können, sondern auch Unternehmen, die Rechenzentren warten und bauen, und den Milliarden von Nutzern, die sich auf sie verlassen. „Daten können nur so schnell sein, wie wir sie kontrollieren können“, sagt Liang Feng. „Und in unseren Experimenten haben wir gezeigt, dass die Geschwindigkeitsgrenze unseres Systems bei nur 100 Pikosekunden liegt.“
