Przełączniki optyczne: czym są i jak działają

 

W telekomunikacji, centrach danych i coraz częściej w badaniach nad obliczeniami kwantowymi przełączniki optyczne reprezentują zarówno dojrzałą technologię z dziesięcioletnią historią wdrażania, jak i aktywną granicę, w której badacze wciąż poszukują poprawy wydajności, która pięć lat temu wydawała się niemożliwa.

Różnica między „koncepcyjnie prostym” a „faktycznym budowaniem” polega na tym, że rzeczy stają się drogie i interesujące.

 

Po co zawracać sobie głowę światłem?

 

Argument za przełączaniem optycznym sprowadza się do jednego, frustrującego wąskiego gardła: konwersji O-E-O. Za każdym razem, gdy sygnał optyczny trafia do konwencjonalnego przełącznika elektronicznego, musi zostać przekształcony w sygnał elektryczny, przetworzony, a następnie ponownie przekształcony w fotony dla następnego segmentu światłowodu. Jest to nie tylko nieefektywne,-to staje się nie do utrzymania.

Ruch w nowoczesnych centrach danych ma nieprzyjemny zwyczaj podwajania się co kilka lat. Przełączniki elektroniczne uderzają w ścianę. Zużycie energii słabo się skaluje. Obwody SerDes (serializator/deserializator) generują ciepło, które wymaga agresywnego chłodzenia. Do tego dochodzi opóźnienie-każdego przeskoku O-E-O, które zwiększa opóźnienie przetwarzania, które kumuluje się w wielo-warstwowej architekturze sieci.

Przełącznik optyczny pozwala to wszystko ominąć. Światło wchodzi, światło zostaje przekierowane, światło gaśnie. Brak konwersji. Brak kontroli pakietów. Bez buforowania. Prędkość-opóźnienia-światła to zasadniczo opóźnienie propagacji w samej strukturze przełącznika, które w większości zastosowań praktycznych może równie dobrze wynosić zero.

Brzmi idealnie. Dlaczego więc nie wszystko jest optyczne?

 

Zmieniające się zoo

 

Tutaj sprawa się komplikuje. Nie ma jednej technologii „przełącznika optycznego”. Istnieje cała taksonomia podejść, każde z różnymi-kompromisami, które mają sens w różnych zastosowaniach. Główne kategorie:

 

Przełączniki mechanicznefizycznie przesuwaj elementy optyczne-lustra, pryzmaty, końcówki światłowodów-w celu przekierowania światła. Surowy? Może. Ale są one stosowane od dziesięcioleci i działają. Firma Polatis (obecnie część Huber+Suhner) rozwinęła działalność w oparciu o trójwymiarowe przełączniki sterujące-z wykorzystaniem siłowników piezoelektrycznych. Te urządzenia są powolne jak na standardy centrów danych,-czas przełączania mierzony w milisekundach-ale są niezawodne. Słyszałem historie o łącznej żywotności siłowników przekraczającej miliard godzin w przypadku-jednostek rozmieszczonych w terenie bez awarii. To nie jest literówka.

Przełączniki MEMS(mikro-elektro-układy mechaniczne) przyjmują koncepcję mechaniczną i radykalnie ją ograniczają. Małe lustra wykonane na podłożach krzemowych lub szklanych przy użyciu fotolitografii mogą przechylać się, aby przekierować wiązki światła. Prędkości przełączania poprawiają się do mikrosekund. Liczba portów może sięgać setek. Jednak produkcja MEMS jest skomplikowana, a urządzenia pozostają wrażliwe na wstrząsy i wibracje, co utrudnia wdrażanie poza kontrolowanymi środowiskami.

Przełączniki-termooptycznewykorzystać zależność temperaturową współczynnika załamania światła w falowodach krzemowych. Podgrzej część falowodu za pomocą rezystora cienkowarstwowego, zmień współczynnik załamania światła, przesuń zależność fazową w interferometrze Macha-Zehndera, przekieruj sygnał wyjściowy. Krzem ma silny-współczynnik termooptyczny-około 1,8×10⁻⁴ K⁻¹-, co sprawia, że ​​to podejście jest praktyczne. Czasy przełączania mieszczą się w zakresie od mikrosekund-do-milisekund. Zużycie energii jest haczykiem: te grzejniki potrzebują ciągłego prądu, aby utrzymać stan.

Przełączniki-elektrooptyczneteoretycznie można przełączyć w ciągu nanosekund. Krzem nie daje użytecznych liniowych efektów elektro-optycznych, więc albo używasz wtrysku nośnika (co zwiększa straty), albo szukasz materiałów egzotycznych, takich jak niobian litu. Modulatory LiNbO₃ były dostępne jeszcze zanim się urodziłem.-Ogniwa Pockelsa, modulatory Macha-Zehndera, cały katalog. Cienkowarstwowy-niobian litu na izolatorze przeżywa teraz moment, w którym spadają-napięcia półfali i poprawia się gęstość integracji. Ale kompatybilność CMOS pozostaje nieuchwytna.

 

Są też bardziej egzotyczne podejścia: ciekły kryształ,-akustyczno-optyczny, półprzewodnikowe wzmacniacze optyczne jako bramki, kryształy fotoniczne. Każdy ma niszowe zastosowania. Żadne nie stało się rozwiązaniem uniwersalnym.

 

 

MEMS: technologia, która jest prawie dostępna

 

Silikonowo-fotoniczny MEMS zasługuje na osobną dyskusję, ponieważ reprezentuje prawdopodobnie najbardziej obiecującą ścieżkę w kierunku przełączania optycznego na dużą-skalę, a także jedną z najbardziej frustrujących.

Pomysł jest przekonujący: produkować przełączniki optyczne, korzystając z tych samych procesów zgodnych z CMOS-, które wytwarzają miliardy tranzystorów. Wykorzystaj istniejącą infrastrukturę odlewniczą. Osiągnij redukcję kosztów wynikającą ze skali produkcji półprzewodników.

Kilka lat temu badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley wykazali, że można zbudować fotoniczne przełączniki MEMS na standardowych płytkach SOI o średnicy 200 mm, stosując regularne procesy fotolitografii i-trawienia na sucho w komercyjnych odlewniach. Żadnych egzotycznych etapów produkcji. Przełączniki działały: strata-na-włóknie 7,7 dB, szerokość pasma optycznego 30 nm około 1550 nm, czas przełączania 50 mikrosekund.

Wyniki techniczne były solidne. Wyzwaniem pozostaje wszystko inne.

Siłowniki MEMS wymagają stosunkowo wysokich napięć sterujących-dziesiątek woltów-, co komplikuje elektronikę sterującą. Struktury mechaniczne muszą zostać uwolnione z leżącej poniżej warstwy tlenku za pomocą trawienia gazowego HF, co zwiększa złożoność procesu. Pakowanie staje się uciążliwe, gdy masz do czynienia z setkami portów optycznych, które wymagają precyzyjnego dopasowania do układów światłowodowych. Następnie pozostaje płaszczyzna sterowania: jak koordynować przełączanie w matrycy 64×64 bez tworzenia wąskich gardeł w harmonogramie?

Grupa niedawno opublikowała pracę na temat dzielonych skrzyżowań falowodu,-zasadniczo sprzęgaczy uruchamianych przez MEMS-, w których przełącznik działa poprzez fizyczne oddzielanie lub łączenie dwóch połówek skrzyżowania falowodu. Zademonstrowali układ przełączników Benes 64×64 o wyjątkowo niskim przesłuchie i przeprowadzili go przez miliard cykli przełączania bez pogorszenia wydajności. Imponujący. Nadal nie jest w produkcji.

 

Problem przesłuchów, o którym nikt nie chce rozmawiać

 

Oto coś, co jest zwykle pomijane w materiałach marketingowych: kumulują się przesłuchy.

W małym przełączniku-2×2, 4×4 przesłuch może wynosić -30 dB lub więcej. Do przyjęcia. Jednak wielkoskalowe struktury przełączające łączą wiele elementarnych elementów przełączających kaskadowo. Tkanina 64×64 może mieć światło przechodzące przez dziesiątki pojedynczych przełączników i przejść falowodowych. Każdy z nich dostarcza trochę rozproszonego światła do niewłaściwego portu wyjściowego.

Najgorszy-scenariusz nie zakłada przedostania się jednego sygnału agresora do kanału ofiary. Jest to N-1 agresorów, którzy jednocześnie przyczyniają się do spójnego lub niespójnego przesłuchu. Testowanie tego to koszmar,-trzeba oświetlić wszystkie porty wejściowe z wyjątkiem jednego i zmierzyć, co pojawia się tam, gdzie nie powinno. Większość opublikowanych wyników podaje przesłuch jednościeżkowy, co jest... optymistyczne.

Naukowcy z IBM i innych firm pracowali nad projektami o bardzo-niskim-przesłuchu, zwiększając współczynniki tłumienia do -60 dB lub więcej w poszczególnych komórkach przełączających. Inną kwestią jest to, czy liczby te przetrwają skalowanie do dużych tkanin przy rzeczywistych różnicach produkcyjnych.

 

Termo-optyka: koń pociągowy, którego nikt nie kocha

 

Termo-przełączniki MZI nie cieszą się takim blaskiem. Są powolne w porównaniu do-elektrooptycznych. Spalają energię w porównaniu do MEMS. Ale działają, łatwo integrują się z platformami fotoniki krzemowej i zostały zademonstrowane na dużą skalę.

Kilka lat temu opakowano i scharakteryzowano tkaninę przełącznika termooptycznego o wymiarach 32 x 32-, która zawierała około 1560 elektrycznych portów we/wy obsługiwanych za pomocą ceramicznego drutu BGA-. To dużo przewodów. Zarządzanie termiczne obejmowało podłoża CuW i chłodnice termoelektryczne. Nie eleganckie, ale funkcjonalne.

Pobór mocy pochodzi z grzejników rezystancyjnych wymagających prądu ciągłego. Każdy przesuwnik fazowy może pobierać miliwaty. Pomnóż przez setki lub tysiące elementów w dużej tkaninie, a budżet termiczny stanie się prawdziwym ograniczeniem. Niektóre grupy badały konstrukcje falowodów podwieszanych w celu poprawy izolacji termicznej.-Mniej wycieków ciepła do podłoża oznacza szybszą reakcję i niższą moc,-ale kosztem kruchości mechanicznej.

W przypadku zastosowań, które tolerują mikrosekundowe czasy przełączania i wytrzymują obciążenie termiczne, termooptyka pozostaje pragmatycznym wyborem. Rekonfiguracja centrum danych, routing długości fal, testowanie-i-pomiary-nikt nie potrzebuje do tego przełączania nanosekund.

 

 

Obietnica-elektrooptyki

 

Przełączanie nanosekundowe odblokowuje przypadki użycia, z którymi wolniejsze technologie po prostu nie mogą sobie poradzić. Pakiet-po-przełączaniu optycznym pakietów. Działanie w trybie-serii. Dynamiczna alokacja przepustowości, która śledzi zapotrzebowanie aplikacji w czasie rzeczywistym.

Silikon tutaj nie pomaga. Jego efekty elektro-optyczne są zbyt słabe. Potrzebujesz albo nośnych-diod PIN wtrysku (które działają, ale powodują straty i mają ograniczoną prędkość), albo materiałów o rzeczywistych współczynnikach Pockelsa.

Nioban litu jest powszechnie stosowany-od dziesięcioleci. Współczynniki elektro-optyczne są znaczne-r₃₃ około 31 pm/V. Komercyjne modulatory LiNbO₃ firmy Thorlabs i innych działają w paśmie 40 GHz lub wyższym. Problemem zawsze była gęstość integracji. Masowe urządzenia z niobianu litu mają skalę-centymetrową. Szerokość falowodów w krzemie-jest skalą mikronową; są znacznie większe w rozproszonym LiNbO₃.

Cienka-folia LiNbO₃ na izolatorze zmienia rachunek. Badacze demonstrują obecnie modulatory Macha-Zehndera o szerokości pasma przekraczającej 100 GHz i napięciu-półfali poniżej 2 V. Ślady kurczą się w kierunku tego, co osiąga fotonika krzemowa. Regularnie ukazują się artykuły przyrodnicze.

Problemem pozostaje integracja z resztą obwodu fotonicznego. LiNbO₃ nie rośnie na krzemie. Integracja heterogeniczna obejmuje wiązanie, co zwiększa koszty i złożoność. Łańcuch dostaw cienkowarstwowych-płytek LiNbO₃ jest stosunkowo nowy w porównaniu z fotoniką krzemową.

Nadal. Jeśli potrzebujesz szybkości, właśnie tutaj wskazuje fizyka.

 

Czego właściwie chcą centra danych

 

Hiperskalery mają specyficzne wymagania, które nie zawsze pokrywają się z tym, co badacze akademiccy uznają za interesujące.

Chcą kosztu za port około 10 dolarów. Chcą, aby w przypadku architektur przełączników kaskadowych tłumienie wtrąceniowe było mniejsze niż 10 dB. Chcą, aby prędkość rekonfiguracji była wystarczająco duża, aby śledzić matryce ruchu, które zmieniają się w nieprzewidywalny sposób. Chcą wydajności energetycznej mierzonej w pikodżulach na bit lub lepszej. Chcą wskaźników niezawodności, które pozwolą na wdrożenie na dużą skalę bez dedykowanego personelu konserwacyjnego opiekującego się każdym przełącznikiem.

Przełączniki optyczne oparte na MEMS-firm takich jak Polatis przedostały się do niektórych zastosowań w centrach danych. Czasy przełączania-milisekund-są wolne, ale w przypadku trwałych przepływów typu „słoń”, które dominują w przepustowości między-klatrami, rekonfiguracja w milisekundach jest w porządku. Nie próbujesz przełączać pakietów-po-; próbujesz uniknąć narzutu związanego z konwersją O-E-O w przypadku masowego przenoszenia danych.

Marzenie o optycznym przełączaniu pakietów w czasie krótszym niż{{0}mikrosekundowy pozostaje w większości-marzeniem. Już sam problem płaszczyzny sterowania jest zniechęcający. Bez buforów optycznych (które praktycznie nie istnieją) nie można absorbować rywalizacji w taki sam sposób, w jaki robią to przełączniki elektroniczne. Harmonogram musi być idealny. Synchronizacja na potencjalnie tysiącach serwerów musi być ścisła. Niektóre grupy badawcze wykazały systemy przełączania i sterowania trwające 40-nanosekund-, ale produktywność to inna sprawa.

 

Akustyka-Optyka: objazd

 

Powinienem wspomnieć o przełącznikach akustycznych-optycznych, ponieważ stale pojawiają się one w kontekstach badawczych, a fizyka jest naprawdę interesująca, nawet jeśli ich zastosowania są ograniczone.

Modulator{{0}akustyczno-optyczny wykorzystuje fale akustyczne-zazwyczaj powierzchniowe fale akustyczne emitowane przez przetworniki międzypalcowe-w celu utworzenia okresowej siatki współczynnika załamania światła w materiale. Światło załamuje się na tej siatce. Kontroluj falę akustyczną, kontroluj światło.

Znowu nioban litu: mocne sprzęgło piezoelektryczne zapewniające efektywne wytwarzanie dźwięku, przyzwoite współczynniki fotoelastyczne w interakcji ze światłem. Badacze zademonstrowali modulatory AO z produktami VπL (wartość zasługi dla wydajności modulacji) poniżej 0,1 V·cm na platformach cienkowarstwowych.

Prędkości przełączania są ograniczone przez propagację dźwięku w-mikrosekundach, a nie nanosekundach. Zastosowania skupiają się raczej na fotonice RF, przesunięciu częstotliwości i laserowym przełączaniu Q-, a nie na routingu telekomunikacyjnym. Ale dla kompletności, technologia istnieje.

 

Pytanie o integrację

 

Oto, co stale pojawia się w każdej poważnej dyskusji na temat przełączania optycznego: jak to pasuje do wszystkiego innego?

Sam przełącznik jest bezużyteczny. Potrzebujesz transceiverów, multiplekserów długości fali, wzmacniaczy, monitorów, elektroniki sterującej. Im więcej z nich można zintegrować w jednym chipie lub w jednym pakiecie, tym lepsza ekonomika systemu.

Fotonika krzemowa ma przewagę. Odlewnie takie jak GlobalFoundries, TSMC i imec oferują zestawy do projektowania procesów. Modulatory, fotodetektory, filtry długości fal i routing pasywny współistnieją na tej samej platformie. Dodanie do tego stosu aktywacji MEMS,-co robi obecnie kilka grup badawczych,-może umożliwić bezproblemową integrację przełączników z resztą obwodów fotonicznych.

Nioban litu podąża inną drogą. Materiał może zawierać modulatory elektro-optyczne, urządzenia{{2}akustyczno-optyczne, nieliniowe elementy optyczne i falowody o niskich{{3}stratach, a wszystko to na jednym podłożu. Zestaw narzędzi jest prawdopodobnie bogatszy niż krzem. Jednak ekosystem produkcyjny jest mniej dojrzały.

Półprzewodniki III-V (InP, GaAs) umożliwiają tworzenie półprzewodnikowych wzmacniaczy optycznych i laserów, z którymi krzem nie jest w stanie się równać. Integracja heterogeniczna-łączenie ze sobą różnych materiałów-może połączyć to, co najlepsze z każdego z nich. Może też po prostu połączyć wyzwania produkcyjne każdego z nich.

Nikt jeszcze nie wymyślił zwycięskiej formuły.

 

Uczciwa ocena

 

Przełączanie optyczne to prawdziwa technologia stosowana w rzeczywistych sieciach. To także technologia, która „odległa o pięć lat” od transformacji wszystkiego od co najmniej dwudziestu lat.

Fizyka działa. Inżynieria postępuje. Poprawia się sytuacja ekonomiczna. W przypadku niektórych zastosowań-przełączanie zabezpieczeń, połączenia krzyżowe-długości fal, rekonfigurowalne-multipleksowanie z dodawaniem{5}spadów, automatyzacja testów-przełączniki optyczne sprawdziły się jako właściwe rozwiązanie.

Aby uzyskać szerszą wizję optycznego przełączania pakietów, całkowicie eliminując routery elektroniczne? Wyzwania pozostają ogromne. Złożoność płaszczyzny sterowania. Brak buforowania optycznego. Koszty produkcji na skalę. Standaryzacja wśród dostawców.

Postęp trwa. Artykuły naukowe ukazują się co tydzień. Startupy dostają dofinansowanie. Duże firmy przejmują małe. Podstawowa potrzeba-przenoszenia większej ilości danych przy mniejszym zużyciu energii-nie zanika.

Może tym razem następne pięć lat naprawdę będzie inne.