江蘇鐳射聯盟導讀：
產學研合作一體化不斷推進，瑞士一大學與微軟研究中心合作，提出了超快光電路交換，讓更大頻寬的資料中心更可能！
支援資料中心超快光電路交換的光子整合平臺。來源：Aqeel Ahmed/EPFL
洛桑聯邦理工學院（Ecole Polytechnique Federale de Lausanne，EPFL）和微軟研究中心的科學家利用基於晶片的孤子梳鐳射器和完全無源的衍射光柵裝置演示了超快光電路交換。這種特殊的架構可以使高能效的光學資料中心滿足未來巨大的資料頻寬需求。
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所有超大規模雲提供商(如微軟)提供的服務都是由擁有數十萬臺伺服器的大型資料中心提供的，這些伺服器的效能在很大程度上取決於它們之間的網路質量。當前的資料中心網路包括透過光纖互連的多層交換機。由於這些系統需要光電轉換，相應成本和功率都需要增加。與此同時，由於人工智慧和資料分析等應用而導致的資料增長可能會與摩爾定律放緩相一致，這將使有效擴充套件當前依賴電子晶片的網路架構變得極其困難。
光電路交換機(optical circuit switches,OCS)正在成為克服資料中心頻寬和擴充套件問題的“不二之選”。一種用途廣泛、“前景光明”的光網路體系結構就是波長交換——不同的伺服器使用不同顏色(波長)的光進行連線。這導致了更平坦的網路體系結構，與此同時可以減少對電開關和光收發器的依賴。切換不同波長的光和路由訊號到目的伺服器是由玻璃稜鏡等交換元件完成的，這類元件可以透過色散來分離不同的波長。
單個、四個不同微梳通道的亞納秒光電路交換的實驗演示
儘管OCS技術目前已經商業化，但進展非常慢，這意味著它們無法在處理驟增的資料中心應用程式的同時，適當利用網路資源來降低成本、提高功耗。
在新發表在《Nature Communications》上的一篇論文中，由EPFL的Tobias J. Kippenberg教授和微軟劍橋研究院的Hitesh Ballani博士領導的研究團隊已經成功地透過使用基於晶片的光學技術演示了資料中心的超快光控系統。這些研究團隊自2018年以來一直作為微軟瑞士聯合研究中心的一部分進行著密切的合作。
在該文提出的架構中，光學微梳作為多波長源，可提供相干載波。基於半導體材料的光放大器和陣列波導光柵分別執行切換和分離/組合不同顏色光的重要職能。
數百個半導體鐳射器和氮化矽微諧振器（光微梳）。來源：UCSB的Chao Xiang
由Kippenberg小組首創的光學微梳提供了數百個等距間隔的載體，適用於許多應用。微梳源透過使用晶片級氮化矽微諧振器的非線性頻率轉換產生，與傳統上用作多波長源的鐳射陣列相比，在功率和尺寸上具有獨特的優勢。
氮化矽微諧振器採用光子鑲嵌工藝製造，這是一種相容互補金氧半導體的技術，具有超低傳播損耗的特性，這對於製造高能效微諧振源至關重要。
使用晶片級磷化銦基光放大器可在亞納秒時間尺度下實現不同顏色光之間的切換。這種不同微梳載體之間的超快切換對於滿足資料中心應用的效能最佳化非常重要。
系統演示驗證表明，這一方式可以實現資料包間交換等資料傳輸。研究人員提出了一種獨特的架構——採用中央梳狀系統來提高能效並降低複雜性。“自2014年發現以來，孤子微梳已被用於許多關鍵的系統級應用，如鐳射雷達、長距離資料傳輸和光學相干斷層掃描等，”Kippenberg說，“微梳在資料中心的潛在用途是滿足未來的大頻寬要求並降低功耗，這進一步強化了我們所設計的平臺對於科技應用的重要性。”
Ballani說：“這種合作是產學研合作的重要標誌！我們希望能夠進一步探索光學微型電容器的巨大潛力。雖然想要實現大規模執行該架構還不成熟、還有很長的路要走，但微梳和其他光學器件效能的快速提升意味著效能增益並不遙遠。”
來源：Arslan Sajid Raja et al, Ultrafast optical circuit switching for data centers using integrated soliton microcombs, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25841-8
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