Optički prekidači: što su i kako rade

 

U telekomunikacijama, podatkovnim centrima i sve više u istraživanju kvantnog računalstva, optički prekidači predstavljaju i zrelu tehnologiju s desetljećima povijesti primjene i aktivnu granicu gdje istraživači još uvijek traže poboljšanja performansi koja su se prije pet godina činila nemogućima.

Jaz između "konceptualno jednostavnog" i "zapravo izgrađenog" je mjesto gdje stvari postaju skupe i zanimljive.

 

Zašto se zamarati svjetlom?

 

Slučaj za optičko prebacivanje svodi se na jedno, frustrirajuće usko grlo: O-E-O pretvorbu. Svaki put kada optički signal pogodi uobičajeni elektronički prekidač, mora se pretvoriti u električni signal, obraditi, zatim pretvoriti natrag u fotone za sljedeći segment vlakana. Ovo nije samo neučinkovito-već postaje neodrživo.

Promet modernog podatkovnog centra ima neugodnu naviku udvostručiti se svakih nekoliko godina. Elektronički prekidači udaraju o zid. Potrošnja energije se slabo mjeri. SerDes (serializator/deserializer) krugovi stvaraju toplinu koja zahtijeva agresivno hlađenje. A tu je i kašnjenje-svaki O-E-O skok dodaje kašnjenje obrade koje se akumulira u više-slojnoj mrežnoj arhitekturi.

Sve to zaobilazi optički prekidač. Svjetlo ulazi, svjetlo se preusmjerava, svjetlo se gasi. Nema konverzije. Bez pregleda paketa. Nema međuspremnika. Brzina--kašnjenja svjetlosti u biti je kašnjenje širenja kroz samu sklopnu tkaninu, koje bi za većinu praktičnih razloga moglo biti jednako nuli.

Zvuči savršeno. Pa zašto nije sve optički?

 

The Switching Zoo

 

Ovdje se komplicira. Ne postoji jedinstvena tehnologija "optičkog prekidača". Postoji cijela taksonomija pristupa, svaki s različitim-ustupcima koji imaju smisla za različite primjene. Glavne kategorije:

 

Mehanički prekidačifizički pomaknite optičke elemente-ogledala, prizme, krajeve vlakana-da preusmjerite svjetlost. Sirovo? Možda. Ali oni su postavljeni desetljećima i rade. Polatis (sada dio Huber+Suhner) izgradio je posao na 3D beam-upravljačkim prekidačima pomoću piezoelektričnih aktuatora. Ove su stvari spore prema standardima podatkovnog centra-vremena prebacivanja mjere se u milisekundama-ali su pouzdane. Čuo sam priče o akumuliranom životnom vijeku aktuatora koji premašuje milijardu sati u -postavljenim jedinicama bez kvarova. To nije tipfeler.

MEMS sklopke(mikro-elektro-mehanički sustavi) uzimaju mehanički koncept i dramatično ga smanjuju. Sićušna zrcala izrađena na silikonskim ili staklenim podlogama pomoću fotolitografije mogu se naginjati kako bi preusmjerila zrake. Brzine prebacivanja povećavaju se na mikrosekunde. Broj luka može dosegnuti stotine. Ali izrada MEMS-a je zahtjevna, a uređaji ostaju osjetljivi na udarce i vibracije na načine koji otežavaju postavljanje izvan kontroliranih okruženja.

Termo{0}}optički prekidačiiskoristiti temperaturnu ovisnost indeksa loma u silicijskim valovodima. Zagrijte dio valovoda s otpornikom tankog-sloja, promijenite indeks loma, pomaknite fazni odnos u Mach-Zehnderovom interferometru, preusmjerite izlaz. Silicij ima snažan termo{4}}optički koeficijent-oko 1,8×10⁻⁴ K⁻¹-što ovaj pristup čini praktičnim. Vremena prebacivanja nalaze se u rasponu od-mi-milisekundi. Potrošnja energije je kvaka: tim grijačima je potrebna stalna struja za održavanje stanja.

Elektro{0}}optički prekidačiteoretski se može prebaciti u nanosekundama. Silicij nema korisne linearne elektro{1}}optičke efekte, tako da ili koristite ubrizgavanje nosača (što dodaje gubitke) ili tražite egzotične materijale poput litijevog niobata. LiNbO₃ modulatori postoje od prije nego što sam se rodio-Pockels ćelije, Mach-Zehnder modulatori, cijeli katalog. Tanki-sloj litij niobata na izolatoru upravo je u fazi, s-naponima poluvalova koji padaju i gustoćom integracije se poboljšava. Ali CMOS kompatibilnost ostaje nedostižna.

 

A tu su i egzotičniji pristupi: tekući kristali, aku-optika, poluvodička optička pojačala kao vrata, fotonski kristali. Svaki ima posebne aplikacije. Nijedno nije postalo univerzalno rješenje.

 

 

MEMS: tehnologija koja samo što nije stigla

 

Silicijski fotonski MEMS zaslužuje vlastitu raspravu jer predstavlja ono što bi moglo biti put koji najviše obećava prema-optičkom prebacivanju velikih razmjera, a također i jedan od najfrustrirajućih.

Prijedlog je uvjerljiv: izradite optičke sklopke pomoću istih CMOS-kompatibilnih procesa koji proizvode milijarde tranzistora. Iskoristite postojeću infrastrukturu ljevaonice. Postignite smanjenje troškova koje dolazi s opsegom proizvodnje poluvodiča.

Istraživači s UC Berkeleya prije nekoliko su godina pokazali da možete izraditi fotonske MEMS sklopke na standardnim SOI pločicama od 200 mm koristeći obične fotolitografske i suhe-procese jetkanja u komercijalnim ljevaonicama. Bez egzotičnih koraka izrade. Prekidači su radili: 7,7 dB gubitak vlakana-na-vlakna, 30nm optičke širine pojasa oko 1550nm, 50 mikrosekundi vremena prebacivanja.

Tehnički rezultati bili su solidni. Ono što ostaje izazovno je sve ostalo.

MEMS aktuatori trebaju relativno visoke pogonske napone-desetke volti-što komplicira upravljačku elektroniku. Mehaničke strukture moraju se odvojiti od donjeg sloja oksida korištenjem HF nagrizanja parom, što dodatno usložnjava proces. Pakiranje postaje bolno kada imate posla sa stotinama optičkih priključaka koji zahtijevaju precizno usklađivanje s nizovima vlakana. A tu je i kontrolna razina: kako koordinirati prebacivanje preko matrice 64×64 bez stvaranja uskih grla u rasporedu?

Grupa je nedavno objavila rad o razdvojenim križanjima valovoda-u suštini MEMS-pokrenutim spojnicama gdje sklopka radi fizičkim odvajanjem ili spajanjem dviju polovica križanja valovoda. Demonstrirali su niz prekidača 64×64 Benes s izuzetno niskim preslušavanjem i proveli su ga kroz milijardu ciklusa prebacivanja bez degradacije performansi. Impresivan. Još uvijek nije u proizvodnji.

 

Problem s preslušavanjem o kojem nitko ne želi razgovarati

 

Evo nečega što se često zataškava u marketinškim materijalima: akumuliraju se preslušavanja.

U malom prekidaču-2×2, 4×4-preslušavanje može biti -30dB ili više. Prihvatljiv. Ali sklopovske tkanine velikih razmjera kaskadiraju mnoge elementarne sklopne elemente. Tkanina 64×64 može imati svjetlost koja prolazi kroz desetke pojedinačnih prekidača i križanja valovoda. Svaki od njih daje malo zalutale svjetlosti u pogrešan izlazni priključak.

Najgori-scenarij nije da jedan agresorski signal procuri u kanal vaše žrtve. To je N-1 agresor koji istovremeno pridonosi koherentnom ili nekoherentnom preslušavanju. Testiranje za ovo je noćna mora-trebali biste osvijetliti sve ulazne priključke osim jednog i izmjeriti što se pojavljuje tamo gdje ne bi trebalo. Većina objavljenih rezultata izvješćuje o jednostrukom preslušavanju, što je... optimistično.

Istraživači u IBM-u i drugdje radili su na dizajnu ultra-niskog-preslušavanja, gurajući omjere izumiranja na -60dB ili više u pojedinačnim preklopnim ćelijama. Drugo je pitanje hoće li ti brojevi preživjeti skaliranje na velike tkanine sa stvarnim varijacijama proizvodnje.

 

Thermo{0}}Optic: radni konj kojeg nitko ne voli

 

Termo-optički MZI prekidači nemaju glamur. Spori su u usporedbi s elektro-optičkim. Troše energiju u usporedbi s MEMS-om. Ali oni rade, savršeno se integriraju sa silicijskim fotoničkim platformama i demonstrirani su u velikom broju.

Tkanina termo-optičkog prekidača 32×32 zapakirana je i okarakterizirana prije nekoliko godina s otprilike 1560 električnih ulazno-izlaznih priključaka kojima se rukuje kroz spajanje keramičke BGA žice-. To je puno žica. Upravljanje toplinom uključivalo je CuW podloge i termoelektrične hladnjake. Nije elegantan, ali funkcionalan.

Potrošnja energije dolazi od onih otpornih grijača koji trebaju kontinuiranu struju. Svaki fazni pomak može trošiti milivate. Pomnožite ga stotinama ili tisućama elemenata u velikoj tkanini i toplinski proračun postaje pravo ograničenje. Neke su skupine istraživale viseće strukture valovoda kako bi poboljšale toplinsku izolaciju-manje curenja topline u podlogu znači brži odziv i manju snagu-ali po cijenu mehaničke krhkosti.

Za aplikacije koje mogu tolerirati vremena prebacivanja u mikrosekundama i mogu podnijeti toplinsko opterećenje, termo-optika ostaje pragmatičan izbor. Rekonfiguracija podatkovnog centra, usmjeravanje valne duljine, testiranje-i-mjerenje-nitko ne treba nanosekundno prebacivanje za ovo.

 

 

Elektro{0}}optičko obećanje

 

Nanosekundno prebacivanje otključava slučajeve upotrebe koje sporije tehnologije jednostavno ne mogu riješiti. Paket-po-paketno optičko prebacivanje. Rafalni-način rada. Dinamička raspodjela propusnosti koja prati potražnju aplikacija u stvarnom vremenu.

Silicij tu ne pomaže. Njegovi su elektro{1}}optički učinci preslabi. Trebate ili noseće{3}}injektirane PIN diode (koje rade, ali dodaju gubitak i imaju ograničenu brzinu) ili materijale sa stvarnim Pockelsovim koeficijentom.

Litijev niobat bio je popularan- desetljećima. Elektro{2}}optički koeficijenti su značajni-r3₃ oko 31 pm/V. Komercijalni LiNbO₃ modulatori tvrtke Thorlabs i drugi rade na 40 GHz ili više. Problem je uvijek bila gustoća integracije. Masovni uređaji s litijevim niobatom su centimetrske-mjere. Širina valovoda je mikronska-u siliciju; oni su mnogo veći u difuznom LiNbO3.

Tanki-sloj LiNbO₃ na izolatoru mijenja računicu. Istraživači sada demonstriraju Mach-Zehnder modulatore s propusnim opsegom većim od 100 GHz i polu-valnim naponima ispod 2 V. Otisci se smanjuju prema onome što postiže silicijska fotonika. Radovi o prirodi pojavljuju se redovito.

Integracija s ostatkom fotonskog kruga ostaje problem. LiNbO₃ ne raste na siliciju. Heterogena integracija uključuje povezivanje, što povećava troškove i složenost. Lanac opskrbe za tanko{3}}slojne LiNbO₃ pločice tek je u povoju u usporedbi sa silicijskom fotonikom.

Još. Ako vam je potrebna brzina, fizika je tu.

 

Što podatkovni centri zapravo žele

 

Hiperskaleri imaju specifične zahtjeve koji nisu uvijek u skladu s onim što akademski istraživači smatraju zanimljivim.

Žele cijenu po portu oko 10 dolara. Žele uneseni gubitak ispod 10 dB za kaskadne arhitekture prekidača. Žele dovoljno velike brzine rekonfiguracije da prate prometne matrice koje se nepredvidivo mijenjaju. Oni žele energetsku učinkovitost mjerenu u pikodžulima po bitu ili bolju. Oni žele brojke pouzdanosti koje im omogućuju implementaciju u velikom broju bez posvećenog osoblja za održavanje koje čuva svaki prekidač.

MEMS{0}}prekidači optičkih krugova tvrtki poput Polatisa prodrli su u neke aplikacije podatkovnih centara. Vremena prebacivanja-milisekunde-su spora, ali za postojane "slonove" tokove koji dominiraju među-propusnošću klastera, rekonfiguracija milisekunde je u redu. Ne pokušavate mijenjati paket-po-paket; pokušavate izbjeći troškove konverzije O-E-O za skupno kretanje podataka.

San o sub-mikrosekundnoj optičkoj paketnoj komutaciji ostaje uglavnom to-san. Sam problem kontrolne ravnine je zastrašujući. Bez optičkih međuspremnika (koji praktički ne postoje), ne možete apsorbirati sukobe na način na koji to čine elektronički prekidači. Raspored mora biti savršen. Sinkronizacija između potencijalno tisuća poslužitelja mora biti čvrsta. Neke su istraživačke skupine pokazale sustave za prebacivanje i upravljanje od 40-nanosekundi-, ali proizvodnja je druga stvar.

 

Acousto-optika: Zaobilaznica

 

Trebao bih spomenuti aku-optičke sklopke jer se stalno pojavljuju u istraživačkom kontekstu i jer je fizika uistinu zanimljiva čak i ako su primjene ograničene.

Akus{0}}optički modulator koristi akustične valove-obično površinske akustične valove koje pokreću interdigitalni pretvornici-kako bi stvorio periodičku rešetku indeksa loma u materijalu. Svjetlost se lomi od ove rešetke. Kontrolirajte akustični val, kontrolirajte svjetlo.

Opet litijev niobat: snažna piezoelektrična veza za učinkovito stvaranje akustike, pristojni fotoelastični koeficijenti za interakciju sa svjetlom. Istraživači su demonstrirali AO modulatore s VπL proizvodima (vrijednost za učinkovitost modulacije) ispod 0,1 V·cm na platformama tankog-sloja.

Brzine prebacivanja ograničene su -mikrosekundama akustičnog širenja, a ne nanosekundama. Aplikacije teže RF fotonici, pomaku frekvencije i laserskom Q-spajanju, a ne telekomunikacijskom usmjeravanju. Ali radi potpunosti, tehnologija postoji.

 

Pitanje integracije

 

Evo što se stalno pojavljuje u svakoj ozbiljnoj raspravi o optičkom prebacivanju: kako se to uklapa sa svim ostalim?

Prekidač sam po sebi je beskoristan. Trebate primopredajnike, multipleksere valnih duljina, pojačala, monitore, upravljačku elektroniku. Što ih više možete integrirati na jedan čip ili u jedno pakiranje, to će ekonomija sustava biti bolja.

Silicijska fotonika ima prednost. Ljevaonice poput GlobalFoundries, TSMC i imec nude komplete za projektiranje procesa. Modulatori, fotodetektori, filtri valne duljine i pasivno usmjeravanje koegzistiraju na istoj platformi. Dodavanje MEMS aktivacije ovom skupu-kao što sada radi nekoliko istraživačkih grupa-moglo bi omogućiti prekidače koji se besprijekorno integriraju s ostatkom fotonskog sklopa.

Litijev niobat ide drugim putem. Materijal može sadržavati elektro-optičke modulatore, aku-optičke uređaje, nelinearne optičke elemente i valovode s malim-gubicima, sve na jednoj podlozi. Kutija alata nedvojbeno je bogatija od silicija. Ali proizvodni ekosustav je manje zreo.

III-V poluvodiči (InP, GaAs) omogućuju poluvodička optička pojačala i lasere kojima silicij ne može parirati. Heterogena integracija-spajanje različitih materijala zajedno-mogla bi kombinirati najbolje od svakog. Ili može samo kombinirati izazove izrade svakog od njih.

Nitko još nije otkrio dobitnu formulu.

 

Iskrena procjena

 

Optičko prebacivanje stvarna je tehnologija koja se primjenjuje u stvarnim mrežama. To je također tehnologija koja je "pet godina udaljena" od transformacije svega najmanje dvadeset godina.

Fizika funkcionira. Inženjerstvo napreduje. Ekonomija se popravlja. Za određene aplikacije-zaštitno prespajanje, unakrsna-spajanja valnih duljina, rekonfigurabilno add-drop multipleksiranje, automatizacija testiranja-optički prekidači etablirali su se kao pravo rješenje.

Za veću viziju optičke komutacije paketa koja u potpunosti eliminira elektroničke usmjerivače? Izazovi su i dalje ogromni. Složenost kontrolne ravnine. Nedostatak optičkog međuspremnika. Troškovi proizvodnje u mjerilu. Standardizacija među dobavljačima.

Napredak se nastavlja. Istraživački radovi izlaze tjedno. Startupi se financiraju. Velike tvrtke preuzimaju male. Temeljna potreba-za prijenosom više podataka s manje energije-ne nestaje.

Možda će ovaj put, sljedećih pet godina doista biti drugačije.