Optikai kapcsolók: mik ezek és hogyan működnek

 

A telekommunikációban, az adatközpontokban és egyre inkább a kvantumszámítástechnikai kutatásban az optikai kapcsolók egyszerre jelentenek kiforrott technológiát több évtizedes bevezetési múlttal, és egy olyan aktív határvonalat, ahol a kutatók még mindig olyan teljesítményjavításokat követnek, amelyek öt évvel ezelőtt még lehetetlennek tűntek.

A „koncepcionálisan egyszerű” és a „valójában egy építkezés” közötti szakadék az, ahol a dolgok drágává és érdekessé válnak.

 

Miért bajlódnánk a Fénnyel?

 

Az optikai váltás esete egyetlen, frusztráló szűk keresztmetszetre vezethető vissza: az O-E-O konverzióra. Minden alkalommal, amikor egy optikai jel eltalál egy hagyományos elektronikus kapcsolót, azt elektromos jellé kell alakítani, feldolgozni, majd vissza kell alakítani fotonokká a következő szálszakasz számára. Ez nem csak nem hatékony,{4}}de tarthatatlan is.

A modern adatközpontok forgalmának csúnya szokása, hogy néhány évente megduplázódik. Az elektronikus kapcsolók falnak ütköznek. Az energiafogyasztás rosszul skálázódik. A SerDes (serializer/deserializer) áramkörök hőt termelnek, ami agresszív hűtést igényel. És ott van a késleltetés-minden O-E-O ugrás feldolgozási késleltetést ad, amely a több-szintű hálózati architektúrán halmozódik fel.

Egy optikai kapcsoló mindezt megkerüli. A fény bemegy, a fény átirányul, a fény kialszik. Nincs átalakítás. Nincs csomag ellenőrzés. Nincs pufferelés. A fénykésleltetés-sebessége- lényegében a terjedési késleltetés magán a kapcsolószöveten keresztül, amely a legtöbb gyakorlati célból akár nulla is lehet.

Tökéletesen hangzik. Akkor miért nem minden optikai?

 

A Váltó Állatkert

 

Itt válik bonyolulttá. Nincs egyetlen "optikai kapcsoló" technológia. A megközelítések egész taxonómiája létezik, mindegyik más-más kompromisszum{2}}el, amelyek a különböző alkalmazásokhoz használhatók. A főbb kategóriák:

 

Mechanikus kapcsolókfizikailag mozgassa az optikai elemeket-tükröket, prizmákat, szálvégeket-, hogy átirányítsa a fényt. Nyers? Talán. De évtizedek óta alkalmazzák őket, és működnek. A Polatis (jelenleg a Huber+Suhner része) vállalkozást épített fel 3D-s{7}}kormánykapcsolókra, piezoelektromos működtetőket használva. Ezek a dolgok az adatközponti szabványok szerint lassúak, -ezredmásodpercben mért kapcsolási idők-de megbízhatóak. Hallottam történeteket arról, hogy a hajtóművek felhalmozott élettartama meghaladja az egymilliárd órát a terepen{12}}telepített egységek meghibásodása nélkül. Ez nem elírás.

MEMS kapcsolók(mikro-elektro-mechanikai rendszerek) átveszik a mechanikai koncepciót, és drámaian összezsugorítják azt. A fotolitográfiával szilícium- vagy üveghordozóra gyártott apró tükrök megdönthetők a sugarak átirányításához. A kapcsolási sebességek mikroszekundumokra javulnak. A kikötők száma elérheti a százakat. A MEMS gyártása azonban bonyolult, és az eszközök érzékenyek maradnak az ütésekre és a vibrációra, ami bonyolulttá teszi az ellenőrzött környezeten kívüli telepítést.

Hő{0}}optikai kapcsolókkihasználja a törésmutató hőmérséklet-függését szilícium hullámvezetőkben. Melegítse fel a hullámvezető egy részét egy vékony-filmellenállással, változtassa meg a törésmutatót, tolja el a fázisviszonyt egy Mach-Zehnder interferométerrel, irányítsa át a kimenetet. A szilíciumnak erős termo-optikai együtthatója-körülbelül 1,8×10⁻⁴ K⁻¹-, ami praktikussá teszi ezt a megközelítést. A váltási idők mikroszekundum-–-ezredmásodperc tartományba esnek. Az energiafogyasztás a csapda: ezeknek a fűtőberendezéseknek folyamatos áramra van szükségük az állapot fenntartásához.

Elektro{0}}optikai kapcsolókelméletileg nanoszekundum alatt válthat. A szilíciumnak nincsenek hasznos lineáris elektro{1}}optikai hatásai, ezért vagy hordozó-injektálást használ (ami veszteséget okoz), vagy olyan egzotikus anyagokat keres, mint a lítium-niobát. A LiNbO₃ modulátorok születésem előtt léteznek -Pockels cellák, Mach-Zehnder modulátorok, a teljes katalógus. A szigetelőn lévő vékony-rétegű lítium-niobát most egy pillanat alatt van, amikor a fél-hullámfeszültség csökken, és javul az integrációs sűrűség. A CMOS-kompatibilitás azonban továbbra is megfoghatatlan.

 

És ott vannak az egzotikusabb megközelítések: folyadékkristály, akuszto{0}}optika, félvezető optikai erősítők kapuként, fotonikus kristályok. Mindegyiknek van niche alkalmazása. Egyik sem vált univerzális megoldássá.

 

 

MEMS: A technológia, amely csaknem megérkezik

 

A szilícium fotonikus MEMS megérdemel egy külön tárgyalást, mert ez jelenti a legígéretesebb utat a nagy-optikai váltás felé, és egyben az egyik legfrusztrálóbbat is.

A hangmagasság lenyűgöző: készítsen optikai kapcsolókat ugyanazokkal a CMOS{0}}kompatibilis folyamatokkal, amelyek több milliárd tranzisztort forgatnak ki. Használja ki a meglévő öntödei infrastruktúrát. Érje el a félvezető gyártási méretekkel járó költségcsökkentést.

Az UC Berkeley kutatói néhány évvel ezelőtt bebizonyították, hogy szabványos 200 mm-es SOI lapkákra is lehet fotonikus MEMS-kapcsolókat építeni hagyományos fotolitográfiai és száraz{1}maratásos eljárásokkal kereskedelmi öntödékben. Nincsenek egzotikus gyártási lépések. A kapcsolók működtek: 7,7 dB szál-–-szálveszteség, 30 nm-es optikai sávszélesség 1550 nm körül, 50 mikroszekundumos kapcsolási idő.

A technikai eredmények szilárdak voltak. Ami továbbra is kihívást jelent, az minden más.

A MEMS-aktorokhoz viszonylag magas, -tíz voltos-hajtási feszültségre van szükség, ami megnehezíti a vezérlőelektronikát. A mechanikai szerkezeteket az alatta lévő oxidrétegből HF-gőzmaratással kell leválasztani, ami tovább bonyolítja a folyamatot. A csomagolás fájdalmassá válik, ha több száz optikai porttal van dolgunk, amelyek precíziós igazítást igényelnek a száltömbökhöz. És akkor ott van a vezérlési sík: hogyan lehet koordinálni a váltást egy 64×64-es mátrixon anélkül, hogy ütemezési szűk keresztmetszetek keletkeznének?

Egy csoport a közelmúltban publikált munkát az osztott hullámvezető kereszteződésekről,{0}}lényegében MEMS{1}}működtetésű csatolókról, ahol a kapcsoló úgy működik, hogy fizikailag elválasztja vagy összekapcsolja a hullámvezető kereszteződés két felét. Bemutattak egy 64 × 64-es Benes kapcsolótömböt, rendkívül alacsony áthallással, és egymilliárd kapcsolási cikluson futottak végig teljesítményromlás nélkül. Hatásos. Még mindig nincs gyártásban.

 

Az áthallás problémája Senki sem akar beszélni

 

Íme, valami, ami a marketinganyagokban általában eltussolódik: az áthallás felgyülemlik.

Egy kis kapcsolóban-2 × 2, 4 × 4-crosstalk -30 dB vagy jobb lehet. Elfogadható. De a nagyméretű kapcsolószövetek sok elemi kapcsolóelemet kaszkádolnak. Egy 64 × 64-es szövet több tucat egyedi kapcsolón és hullámvezető kereszteződésen áthaladó fényt tartalmazhat. Mindegyik egy kis szórt fényt ad a rossz kimeneti porthoz.

A legrosszabb-forgatókönyv nem az, ha egy agresszor jel szivárog be az áldozatcsatornádba. Ez N-1 agresszor, amely egyszerre járul hozzá koherens vagy inkoherens áthalláshoz. Ennek tesztelése egy rémálom,-egy kivételével minden bemeneti portot meg kell világítani, és meg kell mérni, hogy mi jelenik meg ott, ahol nem. A legtöbb publikált eredmény egyútvonalas áthallásról számol be, ami... optimista.

Az IBM kutatói és máshol is dolgoztak az ultra-alacsony-crosstalk kialakításokon, amelyek az extinkciós arányt -60 dB-re vagy jobbra tolják az egyes kapcsolócellákban. Az egy másik kérdés, hogy ezek a számok túlélik-e a nagy szövetekre való méretezést, valódi gyártási eltérésekkel.

 

Thermo{0}}Optic: A munkaló, amelyet senki sem szeret

 

A termo{0}}optikai MZI kapcsolók nem érik el a csillogást. Lassúak az elektro-optikához képest. A MEMS-hez képest energiát égetnek el. De működnek, tisztán integrálódnak a szilícium fotonikai platformokkal, és nagy léptékű bemutatásra kerültek.

Egy 32×32-es termo-optikai kapcsolószövetet néhány évvel ezelőtt becsomagoltak és jellemeztek olyasmivel, mint 1560 elektromos I/O port, amelyeket kerámia BGA-huzal{5}}kötéssel kezeltek. Ez a sok vezeték. A hőkezelés CuW szubsztrátumokat és termoelektromos hűtőket tartalmazott. Nem elegáns, de funkcionális.

Az energiafogyasztás a folyamatos áramot igénylő rezisztív fűtőtestekből származik. Mindegyik fázisváltó milliwattot húzhat. Szorozza meg több száz vagy több ezer elemmel egy nagy szövetben, és a termikus költségvetés valódi korláttá válik. Egyes csoportok felfüggesztett hullámvezető szerkezeteket vizsgáltak a hőszigetelés javítása érdekében,-hogy kevesebb hő szivárog az aljzatba, gyorsabb reakciót és kisebb teljesítményt jelent,-de a mechanikai törékenység ára.

Azoknál az alkalmazásoknál, amelyek elviselik a mikromásodperces kapcsolási időket és kezelik a hőterhelést, a termo{0}}optika továbbra is a pragmatikus választás. Adatközpont-újrakonfigurálás, hullámhossz-útválasztás, tesztelés-és-mérés-ezekhez senkinek nincs szüksége nanoszekundumos váltásra.

 

 

Az Electro{0}}Optic Promise

 

A nanoszekundumos váltás olyan eseteket old fel, amelyeket a lassabb technológiák egyszerűen nem tudnak kezelni. Packet-by-optikai csomagváltás. Burst-mód. Dinamikus sávszélesség-kiosztás, amely valós időben követi nyomon az alkalmazások keresletét.

A szilícium itt nem segít. Elektro{1}}optikai hatásai túl gyengék. Vagy hordozó-injekciós PIN-diódákra van szüksége (amelyek működnek, de veszteséget okoznak, és sebességük korlátozott), vagy valódi Pockels-együtthatóval rendelkező anyagokra van szüksége.

A lítium-niobát évtizedek óta{0}}elterjedt. Az elektro-optikai együtthatók jelentősek-r₃₃ 31 pm/V körül. A Thorlabs és mások kereskedelmi forgalomba hozott LiNbO₃ modulátorai 40 GHz-en vagy azon túl is működnek. A probléma mindig is az integrációs sűrűség volt. Az ömlesztett lítium-niobát eszközök centiméteres{9}} méretűek. A hullámvezetők szélessége mikron{11}}méretű szilíciumban; sokkal nagyobbak a diffúz LiNbO₃-ben.

A szigetelőn lévő vékony-LiNbO₃ film megváltoztatja a kalkulust. A kutatók most olyan Mach-Zehnder modulátorokat mutatnak be, amelyek sávszélessége meghaladja a 100 GHz-et, és fele-hullámfeszültségük 2 V alatt van. A lábnyomok a szilíciumfotonika által elért eredmények felé zsugorodnak. Rendszeresen jelennek meg a természetújságok.

Továbbra is probléma a fotonikus áramkör többi részével való integráció. A LiNbO₃ nem nő a szilíciumon. A heterogén integráció kötést foglal magában, ami növeli a költségeket és a bonyolultságot. A vékony-filmes LiNbO₃ lapkák ellátási lánca a szilícium fotonikához képest kialakulóban van.

Még mindig. Ha gyorsaságra van szüksége, akkor itt mutat a fizika.

 

Amit az adatközpontok valójában akarnak

 

A hiperskálázóknak sajátos követelményei vannak, amelyek nem mindig egyeznek meg azzal, amit az akadémiai kutatók érdekesnek találnak.

10 dollár körüli portonkénti költséget akarnak. 10 dB alatti beillesztési veszteséget akarnak a lépcsőzetes kapcsolóarchitektúráknál. Elég gyors újrakonfigurálási sebességet akarnak elérni, hogy nyomon kövessék a kiszámíthatatlanul változó forgalmi mátrixokat. Azt akarják, hogy az energiahatékonyságot picojoule-ban bitenként mérjék, vagy jobbat. Olyan megbízhatósági számokat szeretnének, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy nagy léptékben telepítsék őket anélkül, hogy minden egyes kapcsolót külön karbantartó személyzet vigyázna.

A Polatishoz hasonló cégek MEMS{0}}alapú optikai áramköri kapcsolói behatoltak néhány adatközponti alkalmazásba. A kapcsolási idők -ezredmásodpercben- lassúak, de a fürtök közötti-sávszélességet uraló tartós "elefánt" folyamok esetén az ezredmásodperces újrakonfigurálás megfelelő. Nem próbál csomagonként--csomagonként váltani; megpróbálja elkerülni az O-E-O konverziós többletköltséget a tömeges adatmozgatás miatt.

A sub{0}}mikroszekundumos optikai csomagváltás álma többnyire csak álom marad. A vezérlősík probléma önmagában is ijesztő. Optikai pufferek nélkül (amelyek gyakorlatilag nem léteznek) nem lehet úgy felvenni a versengést, ahogy az elektronikus kapcsolók teszik. Az ütemezésnek tökéletesnek kell lennie. A potenciálisan több ezer szerver közötti szinkronizálásnak szorosnak kell lennie. Egyes kutatócsoportok 40-nanoszekundumos kapcsoló- és vezérlőrendszereket mutattak be, de a termékesítés más kérdés.

 

Acousto{0}}Optika: Kitérő

 

Meg kell említenem az akuszto{0}}optikai kapcsolókat, mert folyamatosan jelennek meg a kutatási kontextusban, és mert a fizika valóban érdekes még akkor is, ha az alkalmazások korlátozottak maradnak.

Az akusztikus-optikai modulátor akusztikus hullámokat-jellemzően interdigitális átalakítók által kibocsátott felületi akusztikus hullámokat használ-, hogy periodikus törésmutató-rácsot hozzon létre egy anyagban. A fény elhajlik erről a rácsról. Irányítsd az akusztikus hullámot, irányítsd a fényt.

Ismét lítium-niobát: erős piezoelektromos csatolás a hatékony akusztikus generálásért, megfelelő fotoelasztikus együtthatók a fénnyel való kölcsönhatásért. A kutatók 0,1 V·cm alatti VπL termékekkel rendelkező AO-modulátorokat (a modulációs hatékonyság érdemi értéke) mutattak be vékony-filmes platformokon.

A kapcsolási sebességet az akusztikus terjedés{0}}mikroszekundum, nem pedig nanoszekundum korlátozza. Az alkalmazások inkább a rádiófrekvenciás fotonikára, a frekvenciaváltásra és a lézeres Q{2}}kapcsolásra irányulnak, mint a távközlési útválasztásra. De a teljesség kedvéért a technológia létezik.

 

Az integrációs kérdés

 

Íme, ami az optikai kapcsolásról szóló minden komoly vitában előkerül: hogyan illeszkedik minden máshoz?

A kapcsoló önmagában hiábavaló. Adó-vevőkre, hullámhossz multiplexerekre, erősítőkre, monitorokra, vezérlő elektronikára van szükség. Minél többet tud ezekből egyetlen chipbe vagy egyetlen csomagba integrálni, annál jobb lesz a rendszergazdaságosság.

A szilícium fotonika előnye van. Az olyan öntödék, mint a GlobalFoundries, a TSMC és az imec, folyamattervező készleteket kínálnak. A modulátorok, a fotodetektorok, a hullámhossz-szűrők és a passzív útválasztás mind együtt léteznek ugyanazon a platformon. Ha ehhez a veremhez hozzáadjuk a MEMS-működtetést,-ahogy most több kutatócsoport is csinálja,-olyan kapcsolók is elérhetővé válhatnak, amelyek zökkenőmentesen integrálódnak a fotonikus áramkör többi részébe.

A lítium-niobát más utat választ. Az anyag egy hordozón elhelyezhet elektro-optikai modulátorokat, akuszto-optikai eszközöket, nemlineáris optikai elemeket és kis-veszteségű hullámvezetőket. Az eszköztár vitathatatlanul gazdagabb, mint a szilícium. De a gyártási ökoszisztéma kevésbé érett.

A III-V félvezetők (InP, GaAs) olyan félvezető optikai erősítőket és lézereket tesznek lehetővé, amelyekhez a szilícium nem tud illeszkedni. A heterogén integráció-különböző anyagok egymáshoz ragasztása-az egyes anyagok legjobbjait egyesítheti. Vagy lehet, hogy csak egyesíti az egyes gyártási kihívásokat.

Még senki sem találta ki a győztes formulát.

 

Az őszinte értékelés

 

Az optikai kapcsolás valódi technológia, amelyet valós hálózatokban alkalmaznak. Ez is olyan technológia, amely már legalább húsz éve "öt évre van" attól, hogy mindent átalakítson.

A fizika működik. A mérnöki munka halad előre. A gazdaság helyzete javul. Bizonyos alkalmazásokhoz -védelmi kapcsolás, hullámhossz kereszt-csatlakozások, újrakonfigurálható add-drop multiplexelés, tesztautomatizálás-optikai kapcsolók bizonyultak a megfelelő megoldásnak.

Az elektronikus útválasztók teljes kiiktatásával kapcsolatos optikai csomagváltás nagyszerűbb elképzeléséhez? A kihívások továbbra is óriásiak. Vezérlési sík bonyolultsága. Az optikai pufferelés hiánya. Gyártási költségek méretarányosan. Szabványosítás a gyártók között.

A haladás folytatódik. A kutatási cikkek hetente jelennek meg. Az induló vállalkozások finanszírozást kapnak. A nagy cégek felvásárolják a kicsiket. Nem szűnik meg az az igény, hogy-több adatot mozgassunk kevesebb energiával-.

Talán ezúttal tényleg más lesz a következő öt év.