Optična stikala: kaj so in kako delujejo

 

V telekomunikacijah, podatkovnih centrih in vedno bolj v raziskavah kvantnega računalništva optična stikala predstavljajo zrelo tehnologijo z desetletji zgodovine uvajanja in aktivno mejo, kjer raziskovalci še vedno lovijo izboljšave zmogljivosti, ki so se pred petimi leti zdele nemogoče.

Vrzel med "konceptualno enostavnim" in "dejanskim ustvarjanjem" je tisto, kjer stvari postanejo drage in zanimive.

 

Zakaj bi se obremenjevali s svetlobo?

 

Primer optičnega preklapljanja se zmanjša na eno samo, frustrirajoče ozko grlo: pretvorbo O-E-O. Vsakič, ko optični signal zadene običajno elektronsko stikalo, ga je treba pretvoriti v električni signal, obdelati in nato pretvoriti nazaj v fotone za naslednji segment vlaken. To ni le neučinkovito-postaja nevzdržno.

Promet sodobnega podatkovnega centra ima neprijetno navado, da se vsakih nekaj let podvoji. Elektronska stikala udarjajo ob steno. Poraba energije se slabo meri. Tokokrogi SerDes (serializator/deserializer) ustvarjajo toploto, ki zahteva agresivno hlajenje. Tu je tudi zakasnitev-vsak O-E-O skok doda zakasnitev obdelave, ki se kopiči v več-arhitekturi omrežja.

Vse to prepreči optično stikalo. Svetloba vstopi, svetloba se preusmeri, svetloba ugasne. Brez pretvorbe. Brez pregleda paketov. Brez medpomnjenja. Hitrost-zakasnitve-svetlobe je v bistvu zakasnitev širjenja skozi samo preklopno strukturo, ki je za večino praktičnih namenov lahko enaka nič.

Sliši se popolno. Zakaj torej ni vse optično?

 

Preklopni živalski vrt

 

Tukaj se zaplete. Ni enotne tehnologije "optičnega stikala". Obstaja cela taksonomija pristopov, vsak z različnimi-kompromisi, ki so smiselni za različne aplikacije. Glavne kategorije:

 

Mehanska stikalafizično premikajte optične elemente-ogledala, prizme, konce vlaken-za preusmeritev svetlobe. Surovo? mogoče. Vendar so bili nameščeni že desetletja in delujejo. Polatis (zdaj del Huber+Suhner) je zgradil podjetje na 3D žarkovih-krmilnih stikalih z uporabo piezoelektričnih aktuatorjev. Te stvari so po standardih podatkovnih centrov počasne-časi preklopa se merijo v milisekundah-vendar so zanesljive. Slišal sem zgodbe o skupni življenjski dobi aktuatorja, ki presega milijardo ur v-nameščenih enotah brez napak. To ni tipkarska napaka.

MEMS stikala(mikro-elektro-mehanski sistemi) vzamejo mehanski koncept in ga močno skrčijo. Majhna zrcala, izdelana na silicijevih ali steklenih substratih s fotolitografijo, se lahko nagnejo, da preusmerijo žarke. Hitrosti preklapljanja se izboljšajo na mikrosekunde. Število vrat lahko doseže na stotine. Toda izdelava MEMS je zahtevna in naprave ostajajo občutljive na udarce in vibracije na načine, zaradi katerih je namestitev zunaj nadzorovanih okolij težavna.

Termo{0}}optična stikalaizkoriščanje temperaturne odvisnosti lomnega količnika v silicijevih valovodih. Segrejte del valovoda s tanko{1}}plastnim uporom, spremenite lomni količnik, premaknite fazno razmerje v Mach-Zehnderjevem interferometru, preusmerite izhod. Silicij ima močan termo{4}}optični koeficient-približno 1,8 × 10⁻⁴ K⁻¹-zaradi česar je ta pristop praktičen. Preklopni časi so v razponu od-mikrosekund do-milisekund. Poraba energije je ulov: ti grelniki potrebujejo stalen tok za vzdrževanje stanja.

Elektro{0}}optična stikalateoretično lahko preklopi v nanosekundah. Silicij nima uporabnih linearnih elektro-optičnih učinkov, zato bodisi uporabljate vbrizgavanje nosilca (ki poveča izgubo) bodisi gledate na eksotične materiale, kot je litijev niobat. LiNbO₃ modulatorji obstajajo že od mojega rojstva-Pockelsove celice, Mach-Zehnder modulatorji, cel katalog. Tanko-slojni litijev niobat na izolatorju je trenutno v trenutku, ko napetosti pol-valovnih valov padajo in gostota integracije se izboljšuje. Toda združljivost CMOS ostaja nedosegljiva.

 

In potem so tu še bolj eksotični pristopi: tekoči kristali, aku-optika, polprevodniški optični ojačevalniki kot vrata, fotonski kristali. Vsak ima nišne aplikacije. Nobena ni postala univerzalna rešitev.

 

 

MEMS: Tehnologija, ki se skorajda razvija

 

Silicijev fotonski MEMS si zasluži lastno razpravo, ker predstavlja morda najbolj obetavno pot do optičnega preklapljanja-velikega obsega in tudi eno najbolj frustrirajočih.

Predlog je prepričljiv: izdelajte optična stikala z istimi procesi,-združljivimi s CMOS, ki proizvajajo milijarde tranzistorjev. Izkoristite obstoječo livarsko infrastrukturo. Dosezite zmanjšanje stroškov, ki ga prinaša obseg proizvodnje polprevodnikov.

Raziskovalci UC Berkeley so pred nekaj leti dokazali, da lahko izdelate fotonska stikala MEMS na standardnih 200 mm rezinah SOI z običajnimi postopki fotolitografije in suhega -jedkanja v komercialnih livarnah. Brez eksotičnih proizvodnih korakov. Stikala so delovala: 7,7 dB izguba vlakna--optika, 30 nm optične pasovne širine okoli 1550 nm, preklopni časi 50 mikrosekund.

Tehnični rezultati so bili solidni. Kar ostaja izziv, je vse ostalo.

Aktivatorji MEMS potrebujejo razmeroma visoke pogonske napetosti-na desetine voltov-, kar zaplete nadzorno elektroniko. Mehanske strukture je treba sprostiti iz osnovne oksidne plasti s HF jedkanjem s paro, kar dodatno zaplete postopek. Pakiranje postane boleče, ko imate opravka s stotinami optičnih vrat, ki potrebujejo natančno poravnavo z nizi vlaken. In potem je tu še nadzorna ravnina: kako koordinirate preklapljanje po matriki 64 × 64, ne da bi ustvarili ozka grla pri načrtovanju?

Skupina je pred kratkim objavila delo o razdeljenih križiščih valovodov-v bistvu spojnikih, ki jih aktivira MEMS-, kjer stikalo deluje tako, da fizično loči ali združi dve polovici križišča valovodov. Predstavili so niz stikal 64 × 64 Benes z izjemno nizkim presluhom in ga pognali skozi milijardo preklopnih ciklov brez poslabšanja zmogljivosti. Impresivno. Še vedno ni v proizvodnji.

 

Problem preslušavanja, o katerem nihče ne želi govoriti

 

Tukaj je nekaj, kar se v trženjskem gradivu ponavadi zamolči: kopiči se presluh.

V majhnem stikalu-2×2, 4×4-navzkrižno preslušanje je lahko -30dB ali več. Sprejemljivo. Toda obsežne stikalne tkanine kaskadirajo številne osnovne stikalne elemente. Tkanina 64 × 64 lahko svetlobo prečka na desetine posameznih stikal in prehodov valovodov. Vsak od njih prispeva delček razpršene svetlobe v napačna izhodna vrata.

V najslabšem-možnem primeru v kanal vaše žrtve ne uhaja en signal napadalca. Gre za N-1 agresorje, ki vsi hkrati prispevajo koherentno ali nekoherentno preslušavanje. Preskušanje tega je nočna mora-morali bi osvetliti vsa vhodna vrata razen enega in izmeriti, kaj se prikaže tam, kjer se ne bi smelo. Večina objavljenih rezultatov poroča o enopotnem preslušavanju, kar je ... optimistično.

Raziskovalci pri IBM-u in drugod so delali na načrtih z ultra-nizkim-navzkrižnim preslušavanjem, ki so v posameznih preklopnih celicah potisnili razmerja ugasnitve na -60 dB ali več. Drugo vprašanje je, ali te številke preživijo prilagajanje na velike tkanine z resničnimi proizvodnimi različicami.

 

Thermo{0}}Optic: delovni konj, ki ga nihče ne ljubi

 

Termo-optična stikala MZI nimajo glamurja. V primerjavi z elektro-optičnimi so počasni. V primerjavi z MEMS porabijo moč. Vendar delujejo, čisto se integrirajo s platformami za silicijevo fotoniko in dokazali so jih v velikem obsegu.

Tkanina termo-optičnega stikala 32×32 je bila zapakirana in označena pred nekaj leti z približno 1560 električnimi V/I vrati, ki se upravljajo s keramično žico BGA-. To je veliko žic. Toplotno upravljanje je vključevalo substrate CuW in termoelektrične hladilnike. Ni eleganten, ampak funkcionalen.

Poraba energije izvira iz tistih uporovnih grelnikov, ki potrebujejo stalen tok. Vsak fazni preklopnik lahko porabi milivate. Pomnožite s stotinami ali tisoči elementov v veliki tkanini in toplotni proračun postane prava omejitev. Nekatere skupine so raziskovale viseče valovodne strukture za izboljšanje toplotne izolacije-manj toplote, ki uhaja v podlago, pomeni hitrejši odziv in manjšo moč-vendar za ceno mehanske krhkosti.

Za aplikacije, ki lahko prenesejo mikrosekundne preklopne čase in prenesejo toplotno obremenitev, ostaja termo{0}}optika pragmatična izbira. Rekonfiguracija podatkovnega centra, usmerjanje valovne dolžine, testiranje-in-merjenje-za to nihče ne potrebuje nanosekundnega preklopa.

 

 

Elektro{0}}optična obljuba

 

Nanosekundno preklapljanje odklene primere uporabe, ki jih počasnejše tehnologije preprosto ne morejo rešiti. Optično preklapljanje-za-paketom. Delovanje v rafalnem-načinu. Dinamično dodeljevanje pasovne širine, ki spremlja povpraševanje aplikacij v realnem času.

Silicij tu ne pomaga. Njegovi elektro{1}}optični učinki so prešibki. Potrebujete nosilne-diode PIN za vbrizgavanje (ki delujejo, vendar dodajajo izgube in imajo omejeno hitrost) ali materiale z resničnimi Pockelsovimi koeficienti.

Litijev niobat je bil-uporaba že desetletja. Elektro{2}}optični koeficienti so znatni-r₃₃ okoli 31 pm/V. Komercialni modulatorji LiNbO₃ podjetja Thorlabs in drugi delujejo do 40 GHz ali več. Težava je bila vedno gostota integracije. Naprave za množično uporabo litijevega niobata so v centimetrskem- merilu. Širina valovoda je mikronska-v siliciju; veliko večji so v razpršenem LiNbO₃.

Tanko-plastni LiNbO₃ na izolatorju spremeni račun. Raziskovalci zdaj prikazujejo modulatorje Mach-Zehnder s pasovnimi širinami, ki presegajo 100 GHz, in pol{4}}valovnimi napetostmi pod 2 V. Odtisi se krčijo proti temu, kar dosega silicijeva fotonika. Prispevki o naravi se pojavljajo redno.

Integracija s preostalim fotonskim vezjem ostaja problem. LiNbO₃ ne raste na siliciju. Heterogena integracija vključuje povezovanje, kar povečuje stroške in kompleksnost. Dobavna veriga za tanko{3}}plastne LiNbO₃ rezine je v primerjavi s silicijevo fotoniko v začetnem obdobju.

Še vedno. Če potrebujete hitrost, tukaj kaže fizika.

 

Kaj si podatkovni centri dejansko želijo

 

Hiperskalerji imajo posebne zahteve, ki niso vedno v skladu s tem, kar se akademskim raziskovalcem zdi zanimivo.

Želijo strošek na pristanišče okoli 10 USD. Želijo vstavljeno izgubo pod 10 dB za kaskadne arhitekture stikal. Želijo dovolj visoke hitrosti rekonfiguracije za sledenje prometnim matricam, ki se nepredvidljivo premikajo. Želijo energetsko učinkovitost, merjeno v pikodžulih na bit ali več. Želijo številke zanesljivosti, ki jim omogočajo uvedbo v velikem obsegu, ne da bi namensko vzdrževalno osebje skrbelo za vsako stikalo.

Stikala optičnih vezij, ki temeljijo-na MEMS, podjetij, kot je Polatis, so prodrla v nekatere aplikacije podatkovnih centrov. Preklopni časi-milisekund-so počasni, toda za vztrajne "slonje" tokove, ki prevladujejo med-pasovno širino gruč, je milisekundna rekonfiguracija v redu. Ne poskušate preklapljati paket-za-paketom; poskušate se izogniti stroškom pretvorbe O-E-O za množično premikanje podatkov.

Sanje o pod-mikrosekundnem optičnem paketnem preklapljanju ostajajo večinoma to-sanje. Že sam problem nadzorne ravnine je zastrašujoč. Brez optičnih medpomnilnikov (ki praktično ne obstajajo) ne morete absorbirati sporov tako, kot to počnejo elektronska stikala. Razpored mora biti popoln. Sinhronizacija med potencialno na tisoče strežnikov mora biti tesna. Nekatere raziskovalne skupine so pokazale 40-nanosekundne preklopne-in krmilne sisteme, vendar je proizvodnja druga stvar.

 

Acousto-Optics: Obvoz

 

Omeniti moram aku-optična stikala, ker se nenehno pojavljajo v raziskovalnih kontekstih in ker je fizika resnično zanimiva, tudi če so aplikacije omejene.

Akustični-optični modulator uporablja akustične valove-običajno površinske akustične valove, ki jih sprožajo interdigitalni pretvorniki-za ustvarjanje periodične mreže lomnega količnika v materialu. Svetloba se lomi od te rešetke. Nadzorujte akustični val, nadzorujte svetlobo.

Ponovno litijev niobat: močna piezoelektrična sklopka za učinkovito ustvarjanje akustike, spodobni koeficienti fotoelastičnosti za interakcijo s svetlobo. Raziskovalci so prikazali modulatorje AO z izdelki VπL (odnosnost za učinkovitost modulacije) pod 0,1 V·cm na platformah s tankim-plastom.

Hitrosti preklapljanja so omejene z-mikrosekundami akustičnega širjenja, ne z nanosekundami. Aplikacije se nagibajo k RF fotoniki, frekvenčnemu premikanju in laserskemu Q-preklopu namesto k telekomunikacijskemu usmerjanju. Ampak za popolnost, tehnologija obstaja.

 

Vprašanje integracije

 

Tukaj je tisto, kar se nenehno pojavlja v vsaki resni razpravi o optičnem preklapljanju: kako se ujema z vsem ostalim?

Stikalo samo po sebi je neuporabno. Potrebujete sprejemnike, multiplekserje valovnih dolžin, ojačevalnike, monitorje, nadzorno elektroniko. Več kot jih lahko integrirate na en sam čip ali v en paket, boljša postane ekonomičnost sistema.

Silicijeva fotonika ima prednost. Livarne, kot so GlobalFoundries, TSMC in imec, ponujajo komplete za načrtovanje procesov. Modulatorji, fotodetektorji, filtri valovnih dolžin in pasivno usmerjanje soobstajajo na isti platformi. Dodajanje proženja MEMS v ta sklad-kot zdaj počne več raziskovalnih skupin-bi lahko omogočilo stikala, ki se neopazno integrirajo s preostalim fotonskim vezjem.

Litijev niobat ubere drugačno pot. Material lahko gosti elektro-optične modulatorje, aku-optične naprave, nelinearne optične elemente in nizko{3}}izgubne valovode na enem substratu. Orodje je nedvomno bogatejše od silicija. Vendar je proizvodni ekosistem manj zrel.

Polprevodniki III-V (InP, GaAs) omogočajo polprevodniške optične ojačevalnike in laserje, ki jim silicij ni kos. Heterogena integracija-s povezovanjem različnih materialov-bi lahko združila najboljše od vsakega. Lahko pa le združuje izzive izdelave vsakega.

Nihče še ni ugotovil zmagovalne formule.

 

Poštena ocena

 

Optično preklapljanje je resnična tehnologija, ki se uporablja v resničnih omrežjih. To je tudi tehnologija, ki je že vsaj dvajset let »pet let stran« od tega, da bi vse spremenila.

Fizika deluje. Inženiring napreduje. Gospodarstvo se izboljšuje. Za nekatere aplikacije-zaščitno preklapljanje, navzkrižne-povezave z valovno dolžino, rekonfigurabilno dodajanje-drop multipleksiranje, avtomatizacija testiranja-optična stikala so se uveljavila kot prava rešitev.

Za večjo vizijo optičnega paketnega preklapljanja, ki popolnoma odpravlja elektronske usmerjevalnike? Izzivi ostajajo veliki. Kompleksnost nadzorne ravnine. Pomanjkanje optičnega medpomnilnika. Proizvodni stroški v obsegu. Standardizacija med prodajalci.

Napredek se nadaljuje. Raziskovalni članki se pojavljajo tedensko. Startupi se financirajo. Velika podjetja prevzemajo mala. Temeljna potreba-po prenosu več podatkov z manj energije-ne izgine.

Morda bo tokrat naslednjih pet let res drugače.