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光电路交换机可以提高数据中心的交换性能

Microsoft 等超大规模云提供商提供的服务由使用数十万台服务器的庞大数据中心提供支持,这些服务器的性能取决于它们之间的网络质量。

光电路交换机可以增强数据中心的交换性能。
为数据中心实现超快光电路交换的光子集成平台示意图。图片来源:Aqeel Ahmed/EPFL。

可用的数据中心网络包括通过光纤互连的多层电气分组交换机。这些系统需要电光转换,这增加了成本和功率开销。

为了增加挑战,由于人工智能和数据分析等应用而导致的数据速率增加可能与摩尔定律的放缓同时发生,这将使测量依赖于电子芯片的当前网络架构变得具有挑战性。

光电路交换机 (OCS) 正在成为解决数据中心带宽和扩展问题的有吸引力的选择。一个特别有前途的 OCS 设计是波长交换,其中使用多种颜色(波长)的光连接不同的服务器,从而导致更扁平的网络架构并限制对电气开关和光收发器的要求。

开关元件用于改变到达目标服务器的光和常规信号的波长——例如,可以通过色散将多个波长分开的玻璃棱镜。

OCS 技术在市场上可用,但它们非常慢,这意味着它们无法在正确利用网络资源以降低开销和提高功耗的同时处理突发的数据中心应用程序。

该研究发表在期刊上 自然通讯.

研究小组由 Tobias J. Kippenberg 教授领导。 EPFL 以及微软剑桥研究院的 Hitesh Ballani 博士。该研究可以通过使用基于芯片的光学器件来证明数据中心的超快 OCS。作为微软瑞士联合研究中心的一部分,该研究团队自 2018 年以来一直在合作。

如架构中所示,光学微梳用作提供相干载波的多波长源。基于半导体材料的光放大器和阵列波导光栅通过开关过程实现不同颜色光的组合或分离。

正如 Kippenberg 小组提出的那样,光学微梳提供数百个等距间隔的载体,适用于多种应用。微梳是通过采用芯片级氮化硅微谐振器通过非线性频率转换产生的,与传统的多波长源相比,在功率和尺寸方面具有明显的优势。

光子镶嵌工艺用于制造氮化硅微谐振器。这是一个 CMOS 兼容技术具有超低传播损耗的过程,这在寻求生成节能微梳源时至关重要。

基于芯片级磷化铟的光放大器是使用商业代工厂制造的,它们在亚纳米级时间尺度上执行不同颜色光之间的切换操作。这种在多个微梳载体之间的超快速切换是实现现代和未来数据中心应用所需性能的关键。

一项原理验证、系统级研究表明,可以实现逐包交换的数据传输,并有能力满足数据中心应用的要求。最终,研究人员提出了一种独特的架构,该架构使用中央梳状结构来提高功率效率并降低复杂性。

自 2014 年被发现以来,孤立子微梳已被用于许多关键的系统级应用,例如激光雷达、长距离数据传输和光学相干断层扫描。巩固这一平台对科技应用的重要性.

Tobias J. Kippenberg,研究员和教授,洛桑联邦理工学院

氮化硅样品是在 EPFL 的微纳米技术中心 (CMi) 制造和生长的。

资金

这项研究得到了微软瑞士联合研究中心(联合研究 ICES)、空军科学研究办公室 (AFOSR)、瑞士国家科学基金会 (SNF) 和欧盟 H2020 的财政支持。

期刊参考:

拉贾,A.S. . (2021) 使用集成孤子微梳的数据中心超快光电路交换。 自然通讯. doi.org/10.1038/s41467-021-25841-8.

来源: //www.epfl.ch/en/

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