Optické přepínače: Co jsou a jak fungují

 

V telekomunikacích, datových centrech a stále více ve výzkumu kvantových počítačů představují optické přepínače jak vyspělou technologii s desetiletími historie nasazení, tak aktivní hranici, kde výzkumníci stále hledají zlepšení výkonu, která se před pěti lety zdála nemožná.

Propast mezi „koncepčně přímočarým“ a „skutečně budovaným“ je místo, kde jsou věci drahé a zajímavé.

 

Proč se obtěžovat světlem?

 

Případ optického přepínání spočívá v jediném frustrujícím překážce: O-E-O konverzi. Pokaždé, když optický signál zasáhne konvenční elektronický spínač, musí být převeden na elektrický signál, zpracován a poté převeden zpět na fotony pro další segment vlákna. To není jen neefektivní,-stává se to neudržitelné.

Provoz moderních datových center má ošklivý zvyk, že se každých pár let zdvojnásobí. Elektronické spínače narážejí do zdi. Spotřeba energie se špatně měří. Obvody SerDes (serializer/deserializer) generují teplo, které vyžaduje agresivní chlazení. A je tu latence-každý O-E-O skok přidává zpoždění zpracování, které se hromadí v rámci více-vrstvé síťové architektury.

To vše obchází optický spínač. Světlo jde dovnitř, světlo se přesměruje, světlo zhasne. Žádná konverze. Žádná kontrola paketů. Žádné ukládání do vyrovnávací paměti. Rychlost--latence světla je v podstatě zpoždění šíření přes samotnou strukturu přepínače, které může být pro většinu praktických účelů také nulové.

Zní to perfektně. Proč tedy není vše optické?

 

Spínací zoo

 

Tady se to komplikuje. Neexistuje jediná technologie „optického přepínače“. Existuje celá taxonomie přístupů, z nichž každý má jiné-výhody, které dávají smysl pro různé aplikace. Hlavní kategorie:

 

Mechanické spínačefyzický pohyb optických prvků-zrcadla, hranoly, konce vláken-za účelem přesměrování světla. Surový? Možná. Ale jsou nasazeny desítky let a fungují. Společnost Polatis (nyní součást Huber+Suhner) vybudovala podnik na 3D paprskových-spínačích řízení pomocí piezoelektrických aktuátorů. Tyto věci jsou podle standardů datových center pomalé-doby přepínání měřené v milisekundách-, ale jsou spolehlivé. Slyšel jsem příběhy o akumulované životnosti pohonů přesahující miliardu hodin napříč jednotkami{12}}nasazenými v terénu bez poruch. To není překlep.

MEMS spínače(mikro{0}}elektro{1}}mechanické systémy) přebírají mechanickou koncepci a dramaticky ji zmenšují. Drobná zrcadla vyrobená na křemíkových nebo skleněných substrátech pomocí fotolitografie se mohou naklonit a přesměrovat paprsky. Rychlosti přepínání se zlepšují na mikrosekundy. Počty portů mohou dosahovat až stovek. Výroba MEMS je ale vychytralá a zařízení zůstávají citlivá na nárazy a vibrace způsoby, které znesnadňují nasazení mimo kontrolovaná prostředí.

Tepelné-optické spínačevyužít teplotní závislost indexu lomu v křemíkových vlnovodech. Zahřejte část vlnovodu pomocí tenkovrstvého rezistoru, změňte index lomu, posuňte fázový vztah v Mach-Zehnderově interferometru, přesměrujte výstup. Křemík má silný termo-optický koeficient-asi 1,8×10⁻⁴ K⁻¹-, díky čemuž je tento přístup praktický. Přepínací časy se pohybují v mikrosekundách-až{11}}milisekundách. Spotřeba energie je háček: tyto ohřívače potřebují k udržení stavu nepřetržitý proud.

Elektro-optické spínačemůže teoreticky přepínat v nanosekundách. Křemík nemá užitečné lineární elektro-optické efekty, takže buď používáte vstřikování nosiče (které zvyšuje ztráty), nebo se díváte na exotické materiály, jako je lithium niobát. Modulátory LiNbO₃ existují už před mým narozením-Pockelsovy články, Mach-Zehnderovy modulátory, celý katalog. Tenký-film niobátu lithia na izolátoru právě teď zažívá chvíli, kdy půlvlnné napětí klesá a hustota integrace se zlepšuje. Kompatibilita CMOS však zůstává v nedohlednu.

 

A pak jsou tu exotičtější přístupy: tekuté krystaly, akusticko-optické, polovodičové optické zesilovače jako hradla, fotonické krystaly. Každý má speciální aplikace. Žádný se nestal univerzálním řešením.

 

 

MEMS: Technologie, která stále téměř přichází

 

Křemíkové fotonické MEMS si zaslouží vlastní diskusi, protože představuje to, co by mohlo být nejslibnější cestou k-optickému přepínání ve velkém měřítku a také jednou z nejvíce frustrujících.

Představa je přesvědčivá: vyrobte optické přepínače pomocí stejných{0}}procesů kompatibilních s CMOS, které chrlí miliardy tranzistorů. Využijte stávající infrastrukturu sléváren. Dosáhněte snížení nákladů, které přináší rozsah výroby polovodičů.

Výzkumníci z UC Berkeley před několika lety prokázali, že můžete postavit fotonické spínače MEMS na standardních 200mm waferech SOI pomocí běžných fotolitografických a suchých{1}}procesů leptání v komerčních slévárnách. Žádné exotické výrobní kroky. Přepínače fungovaly: 7,7 dB ztráta vlákna-na-vlákna, šířka optického pásma 30nm kolem 1550nm, časy přepínání 50 mikrosekund.

Technické výsledky byly solidní. Co zůstává náročné, je vše ostatní.

Aktuátory MEMS potřebují relativně vysoké napájecí napětí-desítky voltů-, což komplikuje řídicí elektroniku. Mechanické struktury musí být uvolněny z podkladové oxidové vrstvy pomocí HF parního leptání, což zvyšuje složitost procesu. Balení se stává bolestivým, když máte co do činění se stovkami optických portů, které vyžadují přesné zarovnání s vláknovými poli. A pak je tu řídicí rovina: jak koordinujete přepínání napříč maticí 64×64, aniž byste vytvořili úzká místa v plánování?

Skupina nedávno publikovala práci o rozdělených vlnovodných křížení -v podstatě MEMS{1}}ovládaných spojkách, kde přepínač funguje tak, že fyzicky odděluje nebo spojuje dvě poloviny vlnovodu. Předvedli pole přepínačů Benes 64×64 s pozoruhodně nízkým přeslechem a provedli jej miliardou spínacích cyklů bez snížení výkonu. Impozantní. Stále není ve výrobě.

 

Problém přeslechů, o kterém nikdo nechce mluvit

 

Zde je něco, co má tendenci být v marketingových materiálech přehlíženo: přeslechy se hromadí.

V malém přepínači-2×2 může být přeslech 4×4 -30 dB nebo lepší. Přijatelný. Ale velkorozměrové spínací textilie kaskádují mnoho elementárních spínacích prvků. Tkanina o rozměrech 64×64 může mít světlo procházející desítkami jednotlivých spínačů a vlnovodných křížení. Každý z nich přispívá trochou rozptýleného světla do špatného výstupního portu.

Nejhorším-případným scénářem není jeden signál agresora, který pronikne do vašeho kanálu oběti. Je to N-1 agresorů, kteří přispívají koherentním nebo nekoherentním přeslechem současně. Testovat to je noční můra-, museli byste osvětlit všechny vstupní porty kromě jednoho a změřit, co se objeví tam, kde by nemělo. Většina publikovaných výsledků uvádí jednocestné přeslechy, což je... optimistické.

Výzkumníci v IBM a jinde pracovali na ultra{0}}nízkých{1}}designech přeslechů, které posouvaly poměry zhášení na -60 dB nebo lepší v jednotlivých přepínacích buňkách. Jiná otázka je, zda tato čísla přežijí škálování na velké tkaniny se skutečnými výrobními odchylkami.

 

Thermo{0}}Optic: The Workhorse Nikdo nemiluje

 

Tepelně-optické spínače MZI nezískají kouzlo. Ve srovnání s elektro-optickými jsou pomalé. Spalují energii ve srovnání s MEMS. Ale fungují, čistě se integrují s křemíkovými fotonickými platformami a byly předvedeny ve velkém měřítku.

Tkanina termo{2}}optického přepínače o rozměrech 32×32 byla zabalena a charakterizována před několika lety něčím jako 1 560 elektrickými I/O porty ovládanými keramickým drátem BGA-. To je hodně drátů. Tepelný management zahrnoval CuW substráty a termoelektrické chladiče. Ne elegantní, ale funkční.

Spotřeba energie pochází z těch odporových ohřívačů, které potřebují trvalý proud. Každý fázový posuvník může odebírat miliwatty. Vynásobte stovkami nebo tisíci prvků ve velké tkanině a tepelný rozpočet se stává skutečným omezením. Některé skupiny zkoumaly zavěšené vlnovodné konstrukce ke zlepšení tepelné izolace-méně tepla unikajícího do substrátu znamená rychlejší odezvu a nižší výkon-, ale za cenu mechanické křehkosti.

Pro aplikace, které snesou mikrosekundové spínací časy a zvládnou tepelné zatížení, zůstává pragmatická volba termo-optika. Rekonfigurace datového centra, směrování vlnových délek, testování-a-měření-k tomu nikdo nepotřebuje nanosekundové přepínání.

 

 

Elektro-optický slib

 

Nanosekundové přepínání odemyká případy použití, které pomalejší technologie prostě nemohou řešit. Optické přepínání paketů-po-. Operace v režimu Burst-. Dynamická alokace šířky pásma, která sleduje požadavky aplikací v reálném čase.

Tady silikon nepomůže. Jeho elektro-optické efekty jsou příliš slabé. Potřebujete buď nosiče-vstřikovací PIN diody (které fungují, ale zvyšují ztrátu a mají omezenou rychlost), nebo materiály se skutečnými Pockelsovými koeficienty.

Niobát lithný se používá-po desetiletí. Elektro-optické koeficienty jsou značné-r₃₃ kolem 31 pm/V. Komerční modulátory LiNbO₃ od Thorlabs a dalších pracují do 40 GHz nebo více. Problémem byla vždy hustota integrace. Velkoobjemová lithiová niobátová zařízení mají centimetr-měřítko. Šířky vlnovodu jsou mikronové{11}}měřítko v křemíku; jsou mnohem větší v difúzním LiNbO₃.

Tenký-film LiNbO₃ na izolátoru mění zubní kámen. Výzkumníci nyní demonstrují Mach-Zehnder modulátory se šířkou pásma přesahující 100 GHz a půl{4}}vlnným napětím pod 2V. Stopy se zmenšují směrem k tomu, čeho dosahuje křemíková fotonika. Přírodní papíry se objevují s pravidelností.

Otázkou zůstává integrace se zbytkem fotonického obvodu. LiNbO₃ neroste na křemíku. Heterogenní integrace zahrnuje vazbu, která zvyšuje náklady a složitost. Dodavatelský řetězec pro tenké-vrstvy LiNbO₃ waferů je ve srovnání s křemíkovou fotonikou na počátku.

Stále. Pokud potřebujete rychlost, tady ukazuje fyzika.

 

Co datová centra vlastně chtějí

 

Hyperscalery mají specifické požadavky, které se ne vždy shodují s tím, co akademičtí vědci považují za zajímavé.

Chtějí cenu za port kolem 10 USD. Chtějí vložný útlum pod 10 dB pro kaskádové architektury přepínačů. Chtějí rychlosti rekonfigurace dostatečně rychlé, aby sledovaly matice provozu, které se nepředvídatelně mění. Chtějí energetickou účinnost měřenou v pikojoulech na bit nebo lepší. Chtějí čísla spolehlivosti, která jim umožní nasazení ve velkém měřítku, aniž by každý přepínač hlídal specializovaný personál údržby.

Přepínače optických obvodů založené na MEMS-od společností jako Polatis pronikly do některých aplikací datových center. Přepínací časy-milisekund-jsou pomalé, ale pro trvalé „sloní“ toky, které dominují šířce pásma mezi-klastry, je překonfigurování milisekund v pořádku. Nepokoušíte se přepínat paket-po-paketu; se snažíte vyhnout režii převodu O-E-O při hromadném přesunu dat.

Sen o sub-mikrosekundovém optickém přepínání paketů zůstává většinou tím-snem. Samotný problém s řídicí rovinou je skličující. Bez optických vyrovnávacích pamětí (které prakticky neexistují) nemůžete absorbovat spory tak, jak to dělají elektronické přepínače. Plánování musí být dokonalé. Synchronizace mezi potenciálně tisíci servery musí být těsná. Některé výzkumné skupiny prokázaly 40-nanosekundové přepínání-a řídicí systémy, ale výroba je jiná věc.

 

Akustická-optika: Objížďka

 

Měl bych zmínit akustické-optické spínače, protože se stále objevují v kontextu výzkumu a protože fyzika je skutečně zajímavá, i když aplikace zůstávají omezené.

Akusticko-optický modulátor využívá akustické vlny{1}}typicky povrchové akustické vlny vypouštěné interdigitálními měniči- k vytvoření periodické mřížky indexu lomu v materiálu. Světlo se od této mřížky ohýbá. Ovládejte akustickou vlnu, ovládejte světlo.

Opět niobát lithný: silná piezoelektrická vazba pro efektivní generování akustiky, slušné fotoelastické koeficienty pro interakci se světlem. Výzkumníci prokázali modulátory AO s produkty VπL (hodnota účinnosti modulace) pod 0,1 V·cm na tenkých-fóliích.

Rychlosti přepínání jsou omezeny šířením zvuku-mikrosekundami, nikoli nanosekundami. Aplikace inklinují spíše k RF fotonice, frekvenčnímu posunu a laserovému Q-přepínání než k telekomunikačnímu směrování. Ale pro úplnost, technologie existuje.

 

Otázka integrace

 

Zde je to, co se neustále objevuje v každé seriózní diskusi o optickém přepínání: jak to zapadá se vším ostatním?

Přepínač sám o sobě je k ničemu. Potřebujete transceivery, vlnové multiplexery, zesilovače, monitory, řídicí elektroniku. Čím více z nich můžete integrovat na jeden čip nebo do jednoho balíčku, tím lepší bude ekonomika systému.

Silikonová fotonika má náskok. Slévárny jako GlobalFoundries, TSMC a imec nabízejí sady pro návrh procesů. Modulátory, fotodetektory, filtry vlnových délek a pasivní směrování všechny koexistují na stejné platformě. Přidání ovládání MEMS do tohoto zásobníku-jak to nyní dělá několik výzkumných skupin-by mohlo umožnit přepínače, které se hladce integrují se zbytkem fotonických obvodů.

Lithiumniobate jde jinou cestou. Materiál může hostit elektro-optické modulátory, akusticko{2}}optická zařízení, nelineární optické prvky a nízkoztrátové vlnovody, to vše na jednom substrátu. Sada nástrojů je pravděpodobně bohatší než křemík. Ale výrobní ekosystém je méně vyspělý.

Polovodiče III-V (InP, GaAs) umožňují použití polovodičových optických zesilovačů a laserů, kterým se křemík nevyrovná. Heterogenní integrace-spojování různých materiálů dohromady-může kombinovat to nejlepší z každého. Nebo to může jen kombinovat výrobní výzvy každého z nich.

Na vítězný vzorec zatím nikdo nepřišel.

 

Poctivé hodnocení

 

Optické přepínání je skutečná technologie nasazená v reálných sítích. Je to také technologie, která byla „pět let“ od toho, aby vše proměnila minimálně dvacet let.

Fyzika funguje. Technika postupuje. Ekonomika se zlepšuje. Pro určité aplikace se jako správné řešení etablovaly -přepínání ochrany, křížové{4}}propojení vlnových délek, rekonfigurovatelné add{5}}drop multiplexování, automatizace testování-optické přepínače.

Pro větší vizi optického přepojování paketů, které zcela eliminuje elektronické směrovače? Výzvy zůstávají impozantní. Složitost řídicí roviny. Nedostatek optického vyrovnávací paměti. Výrobní náklady v měřítku. Standardizace napříč prodejci.

Pokrok pokračuje. Výzkumné práce se objevují každý týden. Startupy dostávají finance. Velké společnosti získávají malé. Základní potřeba-přesouvat více dat s menší spotřebou energie-nevymizí.

Možná, že tentokrát bude příštích pět let opravdu jinak.