Optiskie slēdži: kas tie ir un kā tie darbojas

 

Telekomunikācijās, datu centros un arvien vairāk kvantu skaitļošanas izpētē optiskie slēdži ir gan nobriedusi tehnoloģija ar desmitiem gadu ilgu izvietošanas vēsturi, gan aktīva robeža, kurā pētnieki joprojām meklē veiktspējas uzlabojumus, kas pirms pieciem gadiem šķita neiespējami.

Plaisa starp "konceptuāli vienkāršu" un "faktiski tādas izveidošanu" ir vieta, kur lietas kļūst dārgas un interesantas.

 

Kāpēc uztraukties ar gaismu?

 

Optiskās pārslēgšanas gadījums ir saistīts ar vienu nomāktu sašaurinājumu: O-E-O konversiju. Katru reizi, kad optiskais signāls sasniedz parasto elektronisko slēdzi, tas ir jāpārvērš elektriskajā signālā, jāapstrādā un pēc tam jāpārvērš atpakaļ fotonos nākamajam šķiedras segmentam. Tas ir ne tikai neefektīvi,{4}}tā arī kļūst neizturami.

Mūsdienu datu centra trafikam ir nejauks ieradums dubultoties ik pēc dažiem gadiem. Elektroniskie slēdži atduras pret sienu. Enerģijas patēriņš mērogos slikti. SerDes (serializer/deserializer) ķēdes rada siltumu, kam nepieciešama agresīva dzesēšana. Un latentums-katrs O-E-O lēciens pievieno apstrādes aizkavi, kas uzkrājas vairāku-līmeņu tīkla arhitektūrā.

Optiskais slēdzis to visu novērš. Gaisma ieplūst, gaisma tiek novirzīta, gaisma izdziest. Nav konversijas. Nav pakešu pārbaudes. Nav buferizācijas. Gaismas latentuma ātrums--būtībā ir izplatīšanās aizkave caur pašu slēdžu struktūru, kas praktiskiem nolūkiem tikpat labi var būt nulle.

Izklausās ideāli. Kāpēc tad viss nav optiski?

 

Pārmaiņas zoodārzs

 

Lūk, kur tas kļūst sarežģīti. Nav vienas "optiskā slēdža" tehnoloģijas. Pastāv vesela pieeju taksonomija, un katrai no tām ir dažādi kompromisi{2}}, kas ir jēgas dažādiem lietojumiem. Galvenās kategorijas:

 

Mehāniskie slēdžifiziski pārvietojiet optiskos elementus-spoguļus, prizmas, šķiedru galus-, lai novirzītu gaismu. Neapstrādāts? Varbūt. Bet tie ir izvietoti gadu desmitiem, un tie darbojas. Polatis (tagad daļa no Huber+Suhner) ir izveidojis biznesu uz 3D staru{7}}stūres slēdžiem, izmantojot pjezoelektriskos izpildmehānismus. Saskaņā ar datu centra standartiem šīs darbības ir lēnas, -pārslēgšanās laiks mērīts milisekundēs{10}}, taču tās ir uzticamas. Esmu dzirdējis stāstus par uzkrāto izpildmehānisma darbmūžu, kas pārsniedz miljards stundu visās{12}}lauka vienībās bez kļūmēm. Tā nav drukas kļūda.

MEMS slēdži(mikro{0}}elektro-mehāniskās sistēmas) izmanto mehānisko koncepciju un ievērojami samazina to. Nelieli spoguļi, kas izgatavoti uz silīcija vai stikla pamatnēm, izmantojot fotolitogrāfiju, var sasvērties, lai novirzītu starus. Pārslēgšanās ātrums uzlabojas līdz mikrosekundēm. Ostu skaits var sasniegt simtus. Taču MEMS izgatavošana ir sarežģīta, un ierīces joprojām ir jutīgas pret triecieniem un vibrācijām, kas padara izvietošanu ārpus kontrolētas vides sarežģītu.

Termo{0}}optiskie slēdžiizmantot refrakcijas koeficienta atkarību no temperatūras silīcija viļņvados. Sildiet viļņvada daļu ar plānas -plēves rezistoru, mainiet refrakcijas indeksu, pārbīdiet fāzes attiecības Mach-Zehnder interferometrā, novirziet izvadi. Silīcijam ir spēcīgs termo-optiskais koeficients-apmēram 1,8 × 10⁻⁴ K⁻¹-, kas padara šo pieeju praktisku. Pārslēgšanās laiki ir mikrosekundes{10}}līdz{11}}milisekundes diapazonā. Enerģijas patēriņš ir galvenais: šiem sildītājiem ir nepieciešama nepārtraukta strāva, lai uzturētu stāvokli.

Elektro{0}}optiskie slēdžiteorētiski var pārslēgties nanosekundēs. Silīcijam nav noderīgu lineāru elektro{1}}optisko efektu, tāpēc jūs izmantojat nesēja iesmidzināšanu (kas palielina zudumus), vai arī meklējat eksotiskus materiālus, piemēram, litija niobātu. LiNbO₃ modulatori ir bijuši jau pirms manas dzimšanas-Pockels šūnas, Mach-Zehnder modulatori, viss katalogs. Plānas-plēves litija niobāts uz izolatora šobrīd piedzīvo brīdi, kad pus-viļņu spriegums samazinās un integrācijas blīvums uzlabojas. Taču saderība ar CMOS joprojām ir nenotverama.

 

Un tad ir vēl eksotiskākas pieejas: šķidrie kristāli, akustiskie{0}}optiskie, pusvadītāju optiskie pastiprinātāji kā vārti, fotoniskie kristāli. Katrai no tām ir nišas lietojumprogrammas. Neviens nav kļuvis par universālu risinājumu.

 

 

MEMS: tehnoloģija, kas turpina gandrīz ierasties

 

Silīcija fotoniskie MEMS ir pelnījuši atsevišķu diskusiju, jo tas ir visdaudzsološākais ceļš uz liela mēroga-optisko pārslēgšanu, kā arī viens no visvairāk nomāktajiem.

Punkts ir pārliecinošs: izgatavojiet optiskos slēdžus, izmantojot tos pašus CMOS{0}}saderīgos procesus, kas rada miljardus tranzistoru. Izmantojiet esošo lietuves infrastruktūru. Sasniedziet izmaksu samazinājumu, ko nodrošina pusvadītāju ražošanas apjoms.

UC Berkeley pētnieki dažus gadus atpakaļ pierādīja, ka var izveidot fotoniskus MEMS slēdžus uz standarta 200 mm SOI plāksnēm, izmantojot regulārus fotolitogrāfijas un sausās kodināšanas procesus komerciālās lietuvēs. Nav eksotisku izgatavošanas soļu. Slēdži darbojās: 7,7 dB šķiedras-uz-šķiedras zudumi, 30 nm optiskā joslas platums aptuveni 1550 nm, 50 mikrosekundes pārslēgšanās laiks.

Tehniskie rezultāti bija stabili. Tas, kas joprojām ir izaicinājums, ir viss pārējais.

MEMS izpildmehānismiem ir nepieciešams salīdzinoši augsts piedziņas spriegums -desmitiem voltu-, kas sarežģī vadības elektroniku. Mehāniskās struktūras ir jāatbrīvo no pamatā esošā oksīda slāņa, izmantojot HF tvaika kodināšanu, kas palielina procesa sarežģītību. Iepakojums kļūst sāpīgs, ja jums ir darīšana ar simtiem optisko portu, kuriem nepieciešama precīza izlīdzināšana ar šķiedru blokiem. Un tad ir vadības plakne: kā koordinēt pārslēgšanos 64 × 64 matricā, neradot plānošanas sastrēgumus?

Grupa nesen publicēja darbu par sadalītiem viļņvada krustojumiem -būtībā ar MEMS-iedarbinātiem savienotājiem, kur slēdzis darbojas, fiziski atdalot vai savienojot divas viļņvada krustojuma daļas. Viņi demonstrēja 64 × 64 Benes slēdžu masīvu ar ļoti zemu šķērsrunu un palaida to cauri miljardam pārslēgšanas ciklu bez veiktspējas pasliktināšanās. Iespaidīgi. Joprojām nav ražošanā.

 

Šķērsrunu problēma Neviens nevēlas runāt

 

Lūk, kas mārketinga materiālos mēdz aizsegt: uzkrājas šķērsruna.

Nelielā slēdžā-2 × 2, 4 × 4 šķērsstaks var būt -30 dB vai labāks. Pieņemams. Bet liela mēroga slēdžu audumi kaskādē daudzus elementārus komutācijas elementus. 64 × 64 audumam var būt gaisma, kas šķērso desmitiem atsevišķu slēdžu un viļņvada krustojumu. Katrs no tiem rada nelielu izkliedētu gaismu nepareizajā izvades portā.

Sliktākais{0}}scenārijs nav viens agresora signāls, kas noplūst upura kanālā. Tie ir N-1 agresori, kas visi vienlaikus veicina saskaņotu vai nesakarīgu šķērsrunu. Pārbaudīt to ir murgs,-jums ir jāizgaismo visi ievades porti, izņemot vienu, un jāizmēra, kas parādās tur, kur nevajadzētu. Lielākā daļa publicēto rezultātu ziņo par viena ceļa šķērsrunu, kas ir... optimistiski.

Pētnieki uzņēmumā IBM un citur ir strādājuši pie īpaši -zemiem- šķērsstieņa projektiem, paaugstinot izzušanas koeficientu līdz -60 dB vai labākiem atsevišķās komutācijas šūnās. Cits jautājums ir tas, vai šie skaitļi saglabājas, pielāgojoties lieliem audumiem ar reālām ražošanas izmaiņām.

 

Termo{0}}Optika: darba zirgs, ko neviens nemīl

 

Termo{0}}optiskie MZI slēdži nesaņem šarmu. Tie ir lēni, salīdzinot ar elektro-optiku. Tie sadedzina jaudu salīdzinājumā ar MEMS. Taču tās darbojas, tās tīri integrējas ar silīcija fotonikas platformām, un tās ir demonstrētas plašā mērogā.

Termo Tas ir daudz vadu. Termiskā vadība ietvēra CuW substrātus un termoelektriskos dzesētājus. Nav elegants, bet funkcionāls.

Enerģijas patēriņu nodrošina tie pretestības sildītāji, kuriem nepieciešama nepārtraukta strāva. Katrs fāzes pārslēdzējs var patērēt milivatus. Reiziniet ar simtiem vai tūkstošiem elementu lielā audumā, un siltuma budžets kļūst par reālu ierobežojumu. Dažas grupas ir izpētījušas piekārtās viļņvada struktūras, lai uzlabotu termisko izolāciju-mazāk siltuma noplūde substrātā nozīmē ātrāku reakciju un mazāku jaudu,-bet uz mehāniskās trausluma rēķina.

Lietojumprogrammām, kas var izturēt mikrosekundes pārslēgšanās laiku un izturēt termisko slodzi, termo{0}}optika joprojām ir pragmatiska izvēle. Datu centra pārkonfigurācija, viļņu garuma maršrutēšana, testēšana-un-mērīšana- nevienam nav nepieciešama nanosekundes pārslēgšana.

 

 

Electro{0}}Optic Promise

 

Nanosekundes pārslēgšanās atbloķē gadījumus, kad lēnākas tehnoloģijas vienkārši nevar atrisināt. Pakešu-pa-pakešu optiskā komutācija. sērijveida-režīma darbība. Dinamiskā joslas platuma piešķiršana, kas reāllaikā izseko lietojumprogrammu pieprasījumu.

Silīcijs šeit nepalīdz. Tā elektro-optiskie efekti ir pārāk vāji. Jums ir nepieciešamas vai nu mobilo sakaru operatora -injekcijas PIN diodes (kas darbojas, bet rada zaudējumus un ir ierobežots ātrums), vai materiāli ar reāliem Pockels koeficientiem.

Litija niobāts ir izmantots{0}}gadu desmitiem. Elektro-optiskie koeficienti ir ievērojami-r₃₃ ap 31 pm/V. Komerciālie LiNbO₃ modulatori no Thorlabs un citiem darbojas līdz 40 GHz vai vairāk. Problēma vienmēr ir bijusi integrācijas blīvums. Lielapjoma litija niobāta ierīces ir centimetru{9}}mērogā. Viļņvada platumi ir norādīti mikronu{11}}mērogā silīcijā; tie ir daudz lielāki izkliedētajā LiNbO₃.

Plānā-plēve LiNbO₃ uz izolatora maina aprēķinus. Pētnieki tagad demonstrē Mach-Zehnder modulatorus ar joslas platumu, kas pārsniedz 100 GHz, un pusi{4}}viļņu spriegumu zem 2 V. Pēdas sarūk pretī tam, ko panāk silīcija fotonika. Dabas raksti parādās regulāri.

Integrācija ar pārējo fotonisko shēmu joprojām ir problēma. LiNbO₃ neaug uz silīcija. Heterogēnā integrācija ietver savienošanu, kas palielina izmaksas un sarežģītību. Plānas -plēves LiNbO₃ plātņu piegādes ķēde ir topoša, salīdzinot ar silīcija fotoniku.

Joprojām. Ja jums ir nepieciešams ātrums, šeit norāda fizika.

 

Ko datu centri patiesībā vēlas

 

Hiperskaloriem ir īpašas prasības, kas ne vienmēr atbilst akadēmiskajiem pētniekiem interesantajam.

Viņi vēlas, lai maksa par vienu ostu būtu aptuveni 10 USD. Viņi vēlas ievietošanas zudumu zem 10 dB kaskādes slēdžu arhitektūrām. Viņi vēlas, lai pārkonfigurācijas ātrums būtu pietiekami liels, lai izsekotu satiksmes matricām, kas mainās neparedzami. Viņi vēlas enerģijas efektivitāti, ko mēra pidžoulos uz bitu vai labāku. Viņi vēlas uzticamības rādītājus, kas ļautu tos izmantot plašā mērogā bez īpaša apkopes personāla, kas auklē katru slēdzi.

Uz MEMS{0}}bāzēti optisko ķēžu slēdži no tādiem uzņēmumiem kā Polatis ir iekļuvuši dažās datu centru lietojumprogrammās. Pārslēgšanās laiki-milisekundes-ir lēni, taču pastāvīgām "ziloņu" plūsmām, kas dominē klasteru-joslas platumā, milisekundes pārkonfigurācija ir piemērota. Jūs nemēģināt pārslēgties pa paketi-pa-paketei; jūs mēģināt izvairīties no O-E-O reklāmguvumu izmaksām lielapjoma datu pārvietošanai.

Sapnis par sub-mikrosekundes optisko pakešu pārslēgšanu lielākoties paliek-sapnis. Tikai vadības plaknes problēma ir biedējoša. Bez optiskajiem buferiem (kas praktiski nepastāv), jūs nevarat absorbēt strīdus tā, kā to dara elektroniskie slēdži. Plānotam jābūt perfektam. Sinhronizācijai starp potenciāli tūkstošiem serveru jābūt saspringtai. Dažas pētniecības grupas ir demonstrējušas 40-nanosekundes komutācijas-un vadības sistēmas, taču produkcijas izveide ir cits jautājums.

 

Acousto{0}}Optika: apkārtceļš

 

Jāpiemin akustiskie{0}}optiskie slēdži, jo tie turpina parādīties pētniecības kontekstā un tāpēc, ka fizika ir patiesi interesanta, pat ja lietojumu skaits joprojām ir ierobežots.

Akustiskais{0}}optiskais modulators izmanto akustiskos viļņus,{1}}parasti virsmas akustiskos viļņus, ko rada starppirkstu devēji,{2}}lai materiālā izveidotu periodisku refrakcijas indeksa režģi. Gaisma izkliedējas no šī režģa. Kontrolējiet akustisko viļņu, kontrolējiet gaismu.

Atkal litija niobāts: spēcīgs pjezoelektriskais savienojums efektīvai akustiskai ģenerēšanai, pienācīgi fotoelastības koeficienti mijiedarbībai ar gaismu. Pētnieki ir parādījuši AO modulatorus ar VπL produktiem (modulācijas efektivitātes nopelnu skaitlis) zem 0,1 V·cm uz plānas -plēves platformām.

Pārslēgšanās ātrumu ierobežo akustiskā izplatīšanās{0}}mikrosekundes, nevis nanosekundes. Lietojumprogrammās ir tendence izmantot RF fotoniku, frekvences maiņu un lāzera Q{2}}pārslēgšanu, nevis telekomunikāciju maršrutēšanu. Bet pilnīgai tehnoloģijai pastāv.

 

Integrācijas jautājums

 

Lūk, kas joprojām parādās katrā nopietnā diskusijā par optisko komutāciju: kā tas sader ar visu pārējo?

Slēdzis pats par sevi ir bezjēdzīgs. Nepieciešami raiduztvērēji, viļņu garuma multipleksori, pastiprinātāji, monitori, vadības elektronika. Jo vairāk no tiem varat integrēt vienā mikroshēmā vai vienā pakotnē, jo labāka kļūst sistēmas ekonomika.

Silīcija fotonikai ir sākums. Lietuves, piemēram, GlobalFoundries, TSMC un imec, piedāvā procesu projektēšanas komplektus. Modulatori, fotodetektori, viļņu garuma filtri un pasīvā maršrutēšana pastāv līdzās vienā platformā. Pievienojot šai grupai MEMS iedarbināšanu,-kā to pašlaik dara vairākas pētniecības grupas,{4}}varētu iespējot slēdžus, kas nemanāmi integrējas ar pārējām fotoniskajām shēmām.

Litija niobāts izmanto citu ceļu. Materiāls var izvietot elektro-optiskos modulatorus, akustiskās-optiskās ierīces, nelineārus optiskos elementus un zemu-zaudējumu viļņvadus uz viena substrāta. Instrumentu kaste ir neapšaubāmi bagātāka par silīciju. Taču ražošanas ekosistēma ir mazāk nobriedusi.

III-V pusvadītāji (InP, GaAs) nodrošina pusvadītāju optiskos pastiprinātājus un lāzerus, kuriem silīcijs nevar atbilst. Neviendabīga integrācija-savienojot dažādus materiālus-var apvienot labāko no katra. Vai arī tas var vienkārši apvienot katras ražošanas problēmas.

Uzvaras formulu vēl neviens nav izdomājis.

 

Godīgs novērtējums

 

Optiskā komutācija ir reāla tehnoloģija, kas tiek izmantota reālos tīklos. Tā ir arī tehnoloģija, kas ir bijusi "piecu gadu attālumā", lai visu pārveidotu vismaz divdesmit gadus.

Fizika strādā. Inženierzinātnes virzās uz priekšu. Ekonomika uzlabojas. Noteiktām lietojumprogrammām-aizsardzības komutācija, viļņa garuma krusto-savienojumi, pārkonfigurējama pievienošanas-drop multipleksēšana, testēšanas automatizācija-optiskie slēdži ir pierādījuši sevi kā pareizo risinājumu.

Lielākai vīzijai par optisko pakešu komutāciju, pilnībā likvidējot elektroniskos maršrutētājus? Izaicinājumi joprojām ir milzīgi. Vadības plaknes sarežģītība. Optiskās buferizācijas trūkums. Ražošanas izmaksas mērogā. Standartizācija starp pārdevējiem.

Progress turpinās. Pētījumi tiek publicēti katru nedēļu. Jaunuzņēmumi saņem finansējumu. Lielie uzņēmumi iegādājas mazos. Pamatvajadzība-pārvietot vairāk datu, izmantojot mazāk enerģijas-nezudīs.

Varbūt šoreiz nākamie pieci gadi tiešām būs savādāki.