Optické prepínače: Čo sú a ako fungujú

 

V telekomunikáciách, dátových centrách a čoraz viac vo výskume kvantových počítačov predstavujú optické prepínače vyspelú technológiu s desiatkami rokov histórie nasadenia a aktívnu hranicu, kde výskumníci stále hľadajú zlepšenie výkonu, ktoré sa pred piatimi rokmi zdalo nemožné.

Rozdiel medzi „koncepčne priamočiarymi“ a „skutočne budovanými“ je miesto, kde sú veci drahé a zaujímavé.

 

Prečo sa obťažovať svetlom?

 

Optické prepínanie sa obmedzuje na jeden frustrujúci problém: O-E-O konverziu. Zakaždým, keď optický signál zasiahne konvenčný elektronický spínač, musí sa previesť na elektrický signál, spracovať a potom previesť späť na fotóny pre ďalší segment vlákna. Nie je to len neefektívne,-stále sa to stáva neudržateľným.

Prevádzka moderných dátových centier má nepríjemný zvyk zdvojnásobiť sa každých pár rokov. Elektronické spínače narážajú do steny. Spotreba energie sa zle škáluje. Obvody SerDes (serializer/deserializer) generujú teplo, ktoré vyžaduje agresívne chladenie. A je tu latencia-každý O{5}}E-O skok pridáva oneskorenie spracovania, ktoré sa hromadí v rámci viac-vrstvovej sieťovej architektúry.

Optický spínač toto všetko obchádza. Svetlo ide dovnútra, svetlo sa presmeruje, svetlo zhasne. Žiadna konverzia. Žiadna kontrola paketov. Žiadne ukladanie do vyrovnávacej pamäte. Rýchlosť--latencie svetla je v podstate oneskorenie šírenia cez samotnú štruktúru prepínača, ktoré môže byť pre väčšinu praktických účelov aj nulové.

Znie to perfektne. Prečo teda nie je všetko optické?

 

The Switching Zoo

 

Tu sa to komplikuje. Neexistuje jediná technológia „optického prepínača“. Existuje celá taxonómia prístupov, z ktorých každý má iné kompromisy-, ktoré dávajú zmysel pre rôzne aplikácie. Hlavné kategórie:

 

Mechanické spínačefyzicky presúvať optické prvky-zrkadlá, hranoly, konce vlákien-na presmerovanie svetla. Surový? Možno. Ale sú nasadené desiatky rokov a fungujú. Polatis (teraz súčasť Huber+Suhner) vybudoval podnik na 3D{7}}prepínačoch riadenia pomocou piezoelektrických ovládačov. Tieto veci sú podľa štandardov dátových centier pomalé-prepínacie časy merané v milisekundách-, ale sú spoľahlivé. Počul som príbehy o akumulovanej životnosti ovládačov, ktorá presiahla miliardu hodín v jednotkách{12}}nasadených v teréne bez porúch. To nie je preklep.

MEMS spínače(mikro{0}}elektro{1}}mechanické systémy) prevzali mechanickú koncepciu a výrazne ju zmenšili. Drobné zrkadlá vyrobené na silikónových alebo sklenených substrátoch pomocou fotolitografie sa môžu nakloniť, aby presmerovali lúče. Rýchlosti prepínania sa zlepšujú na mikrosekundy. Počty portov môžu dosiahnuť stovky. Výroba MEMS je však náročná a zariadenia zostávajú citlivé na otrasy a vibrácie spôsobmi, ktoré sťažujú nasadenie mimo kontrolovaných prostredí.

Termo-optické spínačevyužiť teplotnú závislosť indexu lomu kremíkových vlnovodov. Zahrejte časť vlnovodu pomocou tenkovrstvového rezistora, zmeňte index lomu, posuňte fázový vzťah v Mach-Zehnderovom interferometri, presmerujte výstup. Kremík má silný termo-optický koeficient-približne 1,8 × 10⁻⁴ K⁻¹-, vďaka čomu je tento prístup praktický. Časy prepínania sa pohybujú v milisekundovom-až{11}}milisekundovom rozsahu. Háčikom je spotreba energie: tieto ohrievače potrebujú na udržanie stavu nepretržitý prúd.

Elektro-optické spínačemôže teoreticky prepínať v nanosekundách. Kremík nemá užitočné lineárne elektro-optické efekty, takže buď používate vstrekovanie nosiča (ktoré zvyšuje stratu), alebo sa pozeráte na exotické materiály, ako je lítiumniobát. Modulátory LiNbO₃ existujú ešte predtým, ako som sa narodil-Pockelsove bunky, Mach-Zehnderove modulátory, celý katalóg. Tenká-vrstva niobátu lítneho na izolátore má práve teraz chvíľku, keď sa pol{7}}vlnové napätie znižuje a hustota integrácie sa zlepšuje. Ale kompatibilita CMOS zostáva nepolapiteľná.

 

A potom sú tu exotickejšie prístupy: tekuté kryštály, akusticko{0}}optické, polovodičové optické zosilňovače ako hradla, fotonické kryštály. Každý z nich má špeciálne aplikácie. Žiadne sa nestalo univerzálnym riešením.

 

 

MEMS: Technológia, ktorá takmer neustále prichádza

 

Kremíkový fotonický MEMS si zaslúži vlastnú diskusiu, pretože predstavuje cestu, ktorá by mohla byť najsľubnejšou cestou k-optickému prepínaniu vo veľkom meradle a zároveň jednou z najviac frustrujúcich.

Návrh je presvedčivý: vyrobte optické prepínače pomocou rovnakých procesov kompatibilných s CMOS-, ktoré chrlia miliardy tranzistorov. Využite existujúcu infraštruktúru zlievarne. Dosiahnite zníženie nákladov, ktoré prináša rozsah výroby polovodičov.

Výskumníci z UC Berkeley pred niekoľkými rokmi ukázali, že môžete postaviť fotonické spínače MEMS na štandardných 200 mm doštičkách SOI pomocou bežných fotolitografických a suchých{1}}procesov leptania v komerčných zlievarniach. Žiadne exotické výrobné kroky. Prepínače fungovali: strata vlákna-na-7,7 dB, šírka optického pásma 30 nm okolo 1 550 nm, časy prepínania 50 mikrosekúnd.

Technické výsledky boli solídne. Čo zostáva náročné, je všetko ostatné.

Aktuátory MEMS potrebujú relatívne vysoké hnacie napätie-desiatky voltov-, čo komplikuje riadiacu elektroniku. Mechanické štruktúry sa musia uvoľniť zo spodnej oxidovej vrstvy pomocou HF parného leptania, čo zvyšuje zložitosť procesu. Balenie sa stáva bolestivým, keď máte čo do činenia so stovkami optických portov, ktoré vyžadujú presné zarovnanie s vláknovými poľami. A potom je tu riadiaca rovina: ako koordinujete prepínanie naprieč maticou 64×64 bez vytvárania úzkych miest v plánovaní?

Skupina nedávno publikovala prácu o delených vlnovodných kríženiach-v podstate MEMS{1}}poháňaných spojkách, kde prepínač funguje fyzickým oddelením alebo spojením dvoch polovíc vlnovodu. Predviedli pole prepínačov Benes 64×64 s pozoruhodne nízkymi presluchmi a prešli miliardou spínacích cyklov bez zníženia výkonu. Pôsobivé. Stále nie je vo výrobe.

 

Problém presluchu, o ktorom nikto nechce hovoriť

 

Tu je niečo, čo má tendenciu byť v marketingových materiáloch prehliadané: hromadia sa presluchy.

V malom prepínači-2×2 môže byť presluch 4×4 -30 dB alebo lepší. Prijateľné. Ale veľkorozmerné spínacie tkaniny kaskádujú mnoho základných spínacích prvkov. Tkanina s rozmermi 64 × 64 môže mať svetlo prechádzajúce desiatkami jednotlivých spínačov a vlnovodov. Každý z nich prispieva trochou rozptýleného svetla do nesprávneho výstupného portu.

Najhorším-scenárom nie je únik signálu jedného agresora do vášho kanála obete. Je to N-1 agresorov, ktorí súčasne prispievajú koherentným alebo nekoherentným presluchom. Testovanie je nočnou morou,-musíte osvetliť všetky vstupné porty okrem jedného a zmerať, čo sa zobrazuje tam, kde by nemalo. Väčšina publikovaných výsledkov uvádza jednocestné presluchy, čo je... optimistické.

Výskumníci v IBM a inde pracovali na návrhoch ultra{0}}nízkeho{1}}presluchu, čím sa miera zhasnutia v jednotlivých spínacích bunkách posunula na -60 dB alebo lepšie. Či tieto čísla prežijú škálovanie na veľké tkaniny so skutočnými výrobnými variáciami, je iná otázka.

 

Termo-optika: Pracovný kôň, ktorý nikto nemiluje

 

Termo-optické spínače MZI nezískajú pôvab. V porovnaní s elektro-optikou sú pomalé. V porovnaní s MEMS spaľujú energiu. Ale fungujú, čisto sa integrujú s platformami kremíkovej fotoniky a boli demonštrované vo veľkom meradle.

Tkanina termo{2}}optického spínača s rozmermi 32 × 32 bola zabalená a charakterizovaná pred niekoľkými rokmi s približne 1 560 elektrickými vstupno-výstupnými portami, ktoré sú riešené keramickým drôtom BGA-. To je veľa drôtov. Tepelný manažment zahŕňal CuW substráty a termoelektrické chladiče. Nie elegantné, ale funkčné.

Spotreba energie pochádza z tých odporových ohrievačov, ktoré potrebujú trvalý prúd. Každý fázový posúvač môže odoberať miliwatty. Vynásobte stovkami alebo tisíckami prvkov vo veľkej tkanine a tepelný rozpočet sa stane skutočným obmedzením. Niektoré skupiny skúmali zavesené vlnovodné konštrukcie na zlepšenie tepelnej izolácie-menej tepla presakujúceho do substrátu znamená rýchlejšiu odozvu a nižší výkon,-ale za cenu mechanickej krehkosti.

Pre aplikácie, ktoré dokážu tolerovať mikrosekundové spínacie časy a zvládnu tepelné zaťaženie, zostáva termo{0}optika pragmatickou voľbou. Na rekonfiguráciu dátového centra, smerovanie vlnovej dĺžky, testovanie-a{3}}meranie- nikto nepotrebuje nanosekundové prepínanie.

 

 

Elektro-Optický prísľub

 

Nanosekundové prepínanie odomyká prípady použitia, ktoré pomalšie technológie jednoducho nedokážu riešiť. Optické prepínanie paketov-po-. Prevádzka v-režime Burst. Dynamická alokácia šírky pásma, ktorá sleduje dopyt aplikácií v reálnom čase.

Tu kremík nepomáha. Jeho elektro-optické efekty sú príliš slabé. Potrebujete buď nosné-injekčné PIN diódy (ktoré fungujú, ale zvyšujú stratu a majú obmedzenú rýchlosť) alebo materiály so skutočnými Pockelsovými koeficientmi.

Niobát lítny sa používa-po celé desaťročia. Elektro-optické koeficienty sú značné-r₃₃ okolo 31 pm/V. Komerčné modulátory LiNbO₃ od Thorlabs a iných pracujú do 40 GHz alebo viac. Problémom bola vždy hustota integrácie. Veľkoobjemové lítium-niobátové zariadenia sú v mierke centimetrov-. Šírky vlnovodu sú v mikrónovej{11}}mierke v kremíku; sú oveľa väčšie v difúznom LiNbO₃.

Tenký-vrstva LiNbO₃ na izolátore mení kalkul. Výskumníci teraz demonštrujú Mach-Zehnder modulátory so šírkou pásma presahujúcou 100 GHz a pol{4}}vlnovým napätím pod 2 V. Stopy sa zmenšujú smerom k tomu, čo dosahuje kremíková fotonika. Prírodné papiere sa objavujú s pravidelnosťou.

Problémom zostáva integrácia so zvyškom fotonického obvodu. LiNbO₃ nerastie na kremíku. Heterogénna integrácia zahŕňa spojenie, ktoré zvyšuje náklady a zložitosť. Dodávateľský reťazec pre tenkovrstvové doštičky LiNbO₃ sa v porovnaní s kremíkovou fotonikou rodí.

Stále. Ak potrebujete rýchlosť, tu ukazuje fyzika.

 

Čo dátové centrá vlastne chcú

 

Hyperscalery majú špecifické požiadavky, ktoré sa nie vždy zhodujú s tým, čo akademickí vedci považujú za zaujímavé.

Chcú cenu za port okolo 10 dolárov. Chcú stratu vloženia pod 10 dB pre kaskádové architektúry prepínačov. Chcú dostatočne rýchle rekonfiguračné rýchlosti na sledovanie dopravných matíc, ktoré sa nepredvídateľne menia. Chcú energetickú účinnosť meranú v pikojouloch na bit alebo lepšiu. Chcú čísla spoľahlivosti, ktoré im umožnia nasadiť vo veľkom meradle bez toho, aby sa pri každom prepínači starali o deti špecializovaní pracovníci údržby.

Prepínače optických obvodov založené na MEMS{0}}od spoločností ako Polatis prenikli do niektorých aplikácií dátových centier. Časy prepínania-milisekundy-sú pomalé, ale pre trvalé „slonie“ toky, ktoré dominujú medzi-šírkou pásma klastra, je milisekundová rekonfigurácia v poriadku. Nepokúšate sa prepínať paket-za-paketom; sa snažíte vyhnúť réžii konverzie O-E-O pri hromadnom presune údajov.

Sen o sub{0}}mikrosekundovom prepínaní optických paketov zostáva väčšinou týmto-snom. Samotný problém riadiacej roviny je skľučujúci. Bez optických vyrovnávacích pamätí (ktoré prakticky neexistujú) nemôžete absorbovať spory tak, ako to robia elektronické spínače. Plánovanie musí byť dokonalé. Synchronizácia medzi potenciálne tisíckami serverov musí byť tesná. Niektoré výskumné skupiny demonštrovali 40-nanosekundové prepínacie-a riadiace systémy, ale produkcia je iná vec.

 

Akustická-optika: Obchádzka

 

Mal by som spomenúť akustické-optické spínače, pretože sa stále objavujú v kontexte výskumu a pretože fyzika je skutočne zaujímavá, aj keď aplikácie zostávajú obmedzené.

Akusticko{0}}optický modulátor využíva akustické vlny{1}}zvyčajne povrchové akustické vlny spúšťané interdigitálnymi prevodníkmi- na vytvorenie periodickej mriežky indexu lomu v materiáli. Svetlo sa od tejto mriežky odkláňa. Ovládajte akustickú vlnu, ovládajte svetlo.

Opäť niobát lítny: silná piezoelektrická väzba pre efektívne generovanie akustiky, slušné fotoelastické koeficienty pre interakciu so svetlom. Výskumníci demonštrovali modulátory AO s produktmi VπL (hodnota efektívnosti modulácie) pod 0,1 V·cm na tenkých-platformách.

Rýchlosti prepínania sú obmedzené šírením zvuku-mikrosekundami, nie nanosekundami. Aplikácie majú tendenciu k RF fotonike, frekvenčnému posunu a laserovému Q-prepínaniu skôr než k telekomunikačnému smerovaniu. Ale pre úplnosť, technológia existuje.

 

Otázka integrácie

 

Tu je to, čo sa neustále objavuje v každej serióznej diskusii o optickom prepínaní: ako to ladí so všetkým ostatným?

Prepínač sám o sebe je zbytočný. Potrebujete transceivery, vlnové multiplexory, zosilňovače, monitory, riadiacu elektroniku. Čím viac z nich môžete integrovať na jeden čip alebo do jedného balíka, tým lepšia bude ekonomika systému.

Silikónová fotonika má náskok. Zlievárne ako GlobalFoundries, TSMC a imec ponúkajú súpravy na návrh procesov. Modulátory, fotodetektory, filtre vlnových dĺžok a pasívne smerovanie koexistujú na rovnakej platforme. Pridanie ovládania MEMS do tohto zásobníka-ako to teraz robí niekoľko výskumných skupín-by mohlo umožniť prepínače, ktoré sa hladko integrujú so zvyškom fotonických obvodov.

Niobát lítny ide inou cestou. Materiál môže obsahovať elektro-optické modulátory, akustické{2}optické zariadenia, nelineárne optické prvky a nízkostratové vlnovody, všetko na jednom substráte. Súprava nástrojov je pravdepodobne bohatšia ako kremík. Výrobný ekosystém je však menej vyspelý.

III-V polovodiče (InP, GaAs) umožňujú polovodičové optické zosilňovače a lasery, s ktorými sa kremík nemôže vyrovnať. Heterogénna integrácia-spájanie rôznych materiálov dohromady- môže spojiť to najlepšie z každého. Alebo to môže len kombinovať výrobné výzvy každého z nich.

Na víťazný vzorec zatiaľ nikto neprišiel.

 

Úprimné hodnotenie

 

Optické prepínanie je skutočná technológia nasadená v reálnych sieťach. Je to tiež technológia, ktorá bola „päť rokov“ od toho, aby všetko zmenila aspoň dvadsať rokov.

Fyzika funguje. Technika napreduje. Ekonomika sa zlepšuje. Pre určité aplikácie sa ako správne riešenie etablovali -prepínanie ochrany, krížové{4}}prepojenie vlnových dĺžok, rekonfigurovateľné add{5}}drop multiplexovanie, automatizácia testov-.

Pre väčšiu víziu optického prepínania paketov, ktoré úplne eliminuje elektronické smerovače? Výzvy zostávajú obrovské. Zložitosť riadiacej roviny. Nedostatok optickej vyrovnávacej pamäte. Výrobné náklady v rozsahu. Štandardizácia medzi dodávateľmi.

Pokrok pokračuje. Výskumné práce vychádzajú týždenne. Startupy dostávajú financie. Veľké spoločnosti získavajú malé. Základná potreba-presúvať viac údajov s menšou energiou-nevymizne.

Možno, že tentoraz bude najbližších päť rokov naozaj iných.