Optiniai jungikliai: kas jie yra ir kaip jie veikia

 

Telekomunikacijose, duomenų centruose ir vis dažniau atliekant kvantinių skaičiavimų tyrimus optiniai jungikliai yra brandi technologija su dešimtmečių diegimo istorija ir aktyvi riba, kurioje mokslininkai vis dar siekia pagerinti našumą, kuris atrodė neįmanomas prieš penkerius metus.

Atotrūkis tarp „konceptualiai nesudėtingo“ ir „iš tikrųjų tokio pastatymo“ yra ta vieta, kur viskas brangsta ir įdomūs.

 

Kodėl vargti su šviesa?

 

Optinis perjungimas susijęs su viena varginančia kliūtimi: O-E-O konversija. Kiekvieną kartą, kai optinis signalas patenka į įprastą elektroninį jungiklį, jis turi būti paverstas elektriniu signalu, apdorotas, tada vėl konvertuojamas į fotonus kitam skaidulos segmentui. Tai ne tik neefektyvu,{4}}bet ir tampa nebepagrįsta.

Šiuolaikinių duomenų centrų srautas turi bjaurų įprotį padvigubėti kas kelerius metus. Elektroniniai jungikliai atsitrenkia į sieną. Energijos suvartojimas blogai keičiasi. SerDes (serializer/deserializer) grandinės generuoja šilumą, kuriai reikalingas agresyvus aušinimas. Ir yra delsos-kiekvienas O-E-O šuolis prideda apdorojimo delsą, kuri kaupiasi kelių-pakopų tinklo architektūroje.

Optinis jungiklis visa tai apeina. Šviesa įeina, šviesa nukreipiama, šviesa užgęsta. Jokio konvertavimo. Jokio paketo tikrinimo. Jokio buferio. Šviesos delsos greitis-iš esmės yra sklidimo per patį jungiklio audinį delsa, kuri daugeliu praktinių tikslų gali būti lygi nuliui.

Skamba tobulai. Tai kodėl ne viskas optiškai?

 

Keičiamasis zoologijos sodas

 

Štai kur tai tampa sudėtinga. Nėra vienos „optinio jungiklio“ technologijos. Yra daugybė metodų, kurių kiekvienas turi skirtingus kompromisus{2}}, kurie tinka skirtingoms programoms. Pagrindinės kategorijos:

 

Mechaniniai jungikliaifiziškai perkelkite optinius elementus-veidrodžius, prizmes, skaidulų galus-, kad nukreiptumėte šviesą. Neapdorotas? Galbūt. Tačiau jie buvo naudojami dešimtmečius ir veikia. „Polatis“ (dabar „Huber+Suhner“ dalis) sukūrė verslą, naudodamas 3D spindulio{7}}vairo jungiklius, naudodamas pjezoelektrines pavaras. Pagal duomenų centro standartus šie dalykai yra lėti, -perjungimo laikas matuojamas milisekundėmis{10}}, tačiau jie yra patikimi. Girdėjau istorijų apie sukauptą pavaros mechanizmo eksploatavimo laiką, viršijantį milijardą valandų per lauko{12}}įrenginius be gedimų. Tai nėra rašybos klaida.

MEMS jungikliai(mikro-elektro-mechaninės sistemos) perima mechaninę koncepciją ir smarkiai ją sumažina. Maži veidrodžiai, pagaminti ant silicio arba stiklo pagrindo naudojant fotolitografiją, gali pakreipti spindulius. Perjungimo greitis pagerėja iki mikrosekundžių. Uostų skaičius gali siekti šimtus. Tačiau MEMS gamyba yra sudėtinga, o įrenginiai išlieka jautrūs smūgiams ir vibracijai, todėl jų diegimas už kontroliuojamos aplinkos yra sudėtingas.

Termo{0}}optiniai jungikliaiišnaudoti silicio bangolaidžių lūžio rodiklio priklausomybę nuo temperatūros. Įkaitinkite bangolaidžio dalį plonu -plėvelės rezistoriumi, pakeiskite lūžio rodiklį, pakeiskite fazių santykį Mach-Zehnder interferometru, nukreipkite išvestį. Silicis turi stiprų termo-optinį koeficientą-apie 1,8 × 10⁻⁴ K⁻¹-, todėl šis metodas yra praktiškas. Perjungimo laikas yra mikrosekundžių{10}}į-milisekundžių diapazone. Energijos suvartojimas yra svarbiausias dalykas: tų šildytuvų būsenai palaikyti reikia nuolatinės srovės.

Elektro{0}}optiniai jungikliaiteoriškai gali persijungti per nanosekundes. Silicis neturi naudingų linijinių elektro{1}}optinių efektų, todėl naudojate nešiklio įpurškimą (tai padidina nuostolius) arba žiūrite į egzotiškas medžiagas, pvz., ličio niobatą. LiNbO₃ moduliatoriai buvo naudojami dar prieš man gimstant-Pockels cell, Mach-Zehnder moduliatoriai, visas katalogas. Plonos-plėvelės ličio niobatas ant izoliatoriaus šiuo metu išgyvena momentą, kai sumažėja pusės-bangos įtampa ir didėja integracijos tankis. Tačiau CMOS suderinamumas lieka sunkiai suprantamas.

 

Ir tada yra egzotiškesni požiūriai: skystieji kristalai, akusto{0}}optika, puslaidininkiniai optiniai stiprintuvai kaip vartai, fotoniniai kristalai. Kiekvienas iš jų turi nišines programas. Nė vienas netapo universaliu sprendimu.

 

 

MEMS: technologija, kuri beveik ateina

 

Silicio fotoniniai MEMS nusipelno atskiros diskusijos, nes tai gali būti perspektyviausias kelias link didelio masto optinio perjungimo{0}} ir vienas iš labiausiai varginančių.

Akcija įtikinama: kurkite optinius jungiklius naudodami tuos pačius su CMOS{0}}suderinamus procesus, kurie išleidžia milijardus tranzistorių. Pasinaudokite esama liejyklos infrastruktūra. Sumažinkite sąnaudas, kurios atsiranda dėl puslaidininkių gamybos masto.

UC Berkeley mokslininkai prieš keletą metų įrodė, kad galite sukurti fotoninius MEMS jungiklius standartinėse 200 mm SOI plokštelėse, naudodami įprastus fotolitografinius ir sauso ėsdinimo procesus komercinėse liejyklose. Jokių egzotiškų gamybos žingsnių. Jungikliai veikė: 7,7 dB skaidulų-į-skaido nuostoliai, 30 nm optinis pralaidumas apie 1550 nm, 50 mikrosekundžių perjungimo laikas.

Techniniai rezultatai buvo solidūs. Iššūkį kelia visa kita.

MEMS pavaroms reikia palyginti didelės pavaros įtampos -dešimčių voltų-, o tai apsunkina valdymo elektroniką. Mechaninės struktūros turi būti pašalintos iš apatinio oksido sluoksnio naudojant HF garų ėsdinimą, o tai padidina proceso sudėtingumą. Pakuotė tampa skausminga, kai susiduriate su šimtais optinių prievadų, kuriuos reikia tiksliai suderinti su skaidulų matricomis. Ir tada yra valdymo plokštuma: kaip koordinuoti perjungimą 64 × 64 matricoje nesudarant planavimo kliūčių?

Grupė neseniai paskelbė darbą apie padalintas bangolaidžio sankryžas-iš esmės MEMS-įjungiamas jungtis, kuriose jungiklis veikia fiziškai atskirdamas arba sujungdamas dvi bangolaidžio sankryžos puses. Jie pademonstravo 64 × 64 „Benes“ jungiklių masyvą su nepaprastai mažu skersinio pokalbio lygiu ir atliko milijardą perjungimo ciklų, nepablogindami našumo. Įspūdingas. Vis dar negaminamas.

 

„Crosstalk“ problema Niekas nenori apie tai kalbėti

 

Štai kažkas rinkodaros medžiagoje dažniausiai būna užmaskuota: kaupiasi skersiniai pokalbiai.

Nedideliame jungiklyje-2 × 2, 4 × 4 skersinis stulpelis gali būti –30 dB arba geresnis. Priimtinas. Tačiau didelio masto perjungimo audiniai kaskaduoja daugybę elementarių perjungimo elementų. 64 × 64 audinys gali turėti šviesos, kertančios daugybę atskirų jungiklių ir bangolaidžių sankryžų. Kiekvienas iš jų įneša šiek tiek šviesos į netinkamą išvesties prievadą.

Blogiausias{0}}scenarijus yra ne vienas agresoriaus signalas, nutekėjęs į aukos kanalą. Tai N-1 agresorius, kuris vienu metu prisideda prie nuoseklaus arba nenuoseklaus perkalbėjimo. Išbandyti tai yra košmaras,-turėtumėte apšviesti visus įvesties prievadus, išskyrus vieną, ir išmatuoti, kas rodoma ten, kur neturėtų. Dauguma paskelbtų rezultatų praneša apie vieno kelio skerspjūvį, o tai... optimistiška.

IBM ir kitur mokslininkai dirbo su itin -mažu-kryžiavimu, padidindami išnykimo koeficientą iki –60 dB arba geresnio atskirose perjungimo ląstelėse. Kitas klausimas, ar šie skaičiai išliks keičiant didelius audinius su realiais gamybos skirtumais.

 

Termo{0}}Optika: Darbinis arkliukas, kurio niekas nemyli

 

Termo{0}}optiniai MZI jungikliai neįgauna žavesio. Jie lėti, palyginti su elektro-optika. Jie degina energiją, palyginti su MEMS. Tačiau jie veikia, jie puikiai integruojasi su silicio fotonikos platformomis ir buvo demonstruojami dideliu mastu.

32 × 32 termo-optinių jungiklių audinys buvo supakuotas ir apibūdintas prieš keletą metų su maždaug 1 560 elektros įvesties / išvesties prievadų, tvarkomų per keraminį BGA laidą. Tai daug laidų. Šiluminis valdymas apėmė CuW substratus ir termoelektrinius aušintuvus. Ne elegantiškas, bet funkcionalus.

Energijos suvartojimas gaunamas iš tų varžinių šildytuvų, kuriems reikia nuolatinės srovės. Kiekvienas fazės keitiklis gali sunaudoti milivatus. Padauginkite iš šimtų ar tūkstančių elementų dideliame audinyje ir šiluminis biudžetas taps tikru apribojimu. Kai kurios grupės ištyrė pakabinamas bangolaidžio struktūras, kad pagerintų šiluminę izoliaciją-mažiau šilumos nutekėjimo į pagrindą reiškia greitesnę reakciją ir mažesnę galią,-tačiau mechaninio trapumo kaina.

Programoms, kurios gali toleruoti mikrosekundžių perjungimo laiką ir atlaikyti šiluminę apkrovą, termo{0}}optika išlieka pragmatišku pasirinkimu. Duomenų centro perkonfigūravimas, bangos ilgio maršruto parinkimas, bandymas-ir-matavimas- niekam nereikalingas nanosekundžių perjungimas.

 

 

Electro{0}}Optic Promise

 

Nanosekundinis perjungimas atrakina atvejus, kurių lėtesnės technologijos tiesiog negali išspręsti. Paketinis-pa-paketinis optinis perjungimas. serijos-režimo veikimas. Dinaminis pralaidumo paskirstymas, kuris seka programų poreikį realiuoju laiku.

Silicis čia nepadeda. Jo elektro{1}}optiniai efektai per silpni. Jums reikia arba nešiklio-įpurškimo PIN diodų (kurie veikia, bet padidina nuostolius ir turi ribotą greitį) arba medžiagų su tikrais Pockels koeficientais.

Ličio niobatas buvo naudojamas{0}} dešimtmečius. Elektro-optiniai koeficientai yra dideli-r₃₃ apie 31 pm/V. Komerciniai „Thorlabs“ ir kitų „LiNbO₃“ moduliatoriai veikia iki 40 GHz ar daugiau. Problema visada buvo integracijos tankis. Masiniai ličio niobato įtaisai yra centimetro- dydžio. Bangolaidžio plotis yra mikronų{11}skalėje silicyje; jie yra daug didesni išsklaidytame LiNbO₃.

Plona-plėvelė LiNbO₃ ant izoliatoriaus keičia skaičiavimą. Dabar mokslininkai demonstruoja Mach-Zehnder moduliatorius, kurių dažnių juostos plotis viršija 100 GHz, o pusės -bangos įtampa mažesnė nei 2 V. Pėdsakai mažėja link to, ką pasiekia silicio fotonika. Reguliariai pasirodo gamtos popieriai.

Integracija su likusia fotoninės grandinės dalimi išlieka problema. LiNbO₃ neauga ant silicio. Heterogeninė integracija apima sujungimą, o tai padidina sąnaudas ir sudėtingumą. Plonasluoksnių LiNbO₃ plokštelių tiekimo grandinė yra nauja, palyginti su silicio fotonika.

Vis tiek. Jei jums reikia greičio, čia yra fizika.

 

Ko iš tikrųjų nori duomenų centrai

 

Hiperskaleriams keliami specifiniai reikalavimai, kurie ne visada sutampa su tuo, ką akademiniams tyrėjams atrodo įdomu.

Jie nori, kad kaina būtų maždaug 10 USD. Jie nori, kad įterpimo nuostoliai būtų mažesni nei 10 dB pakopinių jungiklių architektūroms. Jie nori pakankamai greito perkonfigūravimo greičio, kad galėtų stebėti nenuspėjamai besikeičiančias eismo matricas. Jie nori, kad energijos vartojimo efektyvumas būtų matuojamas pidžauliais bitui arba geresnis. Jie nori patikimumo skaičiaus, kuris leistų jiems diegti dideliu mastu be specialaus priežiūros personalo, prižiūrinčio kiekvieną jungiklį.

Į kai kurias duomenų centrų programas įsiskverbė MEMS{0}}pagrįsti optinių grandinių jungikliai iš tokių įmonių kaip „Polatis“. Perjungimo laikas -milisekundėmis-yra lėti, bet nuolatiniams „dramblių“ srautams, kurie dominuoja tarp-grupių pralaidumo, milisekundžių perkonfigūravimas yra tinkamas. Jūs nebandote keisti paketo-po-paketo; bandote išvengti O-E-O konversijos išlaidų masiniam duomenų judėjimui.

Svajonė apie sub-mikrosekundžių optinių paketų perjungimą dažniausiai išlieka ta-svajone. Vien tik valdymo plokštumos problema yra bauginanti. Be optinių buferių (kurių praktiškai nėra), jūs negalite sugerti ginčų taip, kaip tai daro elektroniniai jungikliai. Tvarkaraštis turi būti tobulas. Sinchronizavimas potencialiai tūkstančiuose serverių turi būti griežtas. Kai kurios tyrimų grupės pademonstravo 40-nanosekundžių perjungimo-ir valdymo sistemas, tačiau gaminimas yra kitas dalykas.

 

Akusto{0}}Optika: aplinkkelis

 

Turėčiau paminėti akustinius{0}}optinius jungiklius, nes jie nuolat rodomi mokslinių tyrimų kontekste, o fizika yra tikrai įdomi, net jei pritaikymo galimybės yra ribotos.

Akustinis{0}}optinis moduliatorius naudoja akustines bangas-paprastai paviršines akustines bangas, kurias paleidžia tarpdigitiniai keitikliai-, kad sukurtų periodinę lūžio rodiklio gardelę medžiagoje. Šviesa išsisklaido nuo šių grotelių. Valdykite akustines bangas, valdykite šviesą.

Vėlgi ličio niobatas: stipri pjezoelektrinė jungtis efektyviam akustiniam generavimui, tinkami fotoelastiniai koeficientai sąveikai su šviesa. Tyrėjai parodė, kad AO moduliatoriai su VπL produktais (moduliacijos efektyvumo nuopelnų skaičius) mažesnis nei 0,1 V·cm ant plonos plėvelės platformų.

Perjungimo greitį riboja akustinis sklidimas{0}}mikrosekundėmis, o ne nanosekundėmis. Programos labiau linkusios naudoti RF fotoniką, dažnių perjungimą ir lazerinį Q{2}}perjungimą, o ne telekomunikacijų maršrutą. Tačiau siekiant išsamumo, technologija egzistuoja.

 

Integracijos klausimas

 

Štai kas vis iškyla kiekvienoje rimtoje diskusijoje apie optinį perjungimą: kaip tai dera su viskuo?

Pats jungiklis yra nenaudingas. Reikia siųstuvų-imtuvų, bangos ilgio multiplekserių, stiprintuvų, monitorių, valdymo elektronikos. Kuo daugiau jų galėsite integruoti į vieną lustą arba į vieną paketą, tuo geresnė bus sistemos ekonomika.

Silicio fotonika turi pranašumą. Tokios liejyklos kaip GlobalFoundries, TSMC ir imec siūlo procesų projektavimo rinkinius. Moduliatoriai, fotodetektoriai, bangos ilgio filtrai ir pasyvus maršrutas egzistuoja toje pačioje platformoje. Įtraukus MEMS įjungimą į šį krūvą,-kaip dabar daro kelios tyrimų grupės,-gali būti įjungti jungikliai, kurie sklandžiai integruojasi su likusia fotoninės grandinės dalimi.

Ličio niobatas eina kitu keliu. Medžiaga gali talpinti elektro-optinius moduliatorius, akustinius-optinius įrenginius, netiesinius optinius elementus ir mažų -nuostolių bangolaidžius viename substrate. Įrankių dėžė, be abejo, yra turtingesnė už silicį. Tačiau gamybos ekosistema yra mažiau subrendusi.

III-V puslaidininkiai (InP, GaAs) įgalina puslaidininkinius optinius stiprintuvus ir lazerius, kurių silicis negali atitikti. Heterogeninis integravimas-sujungiantis skirtingas medžiagas-gali sujungti geriausias kiekvienos iš jų savybes. Arba tai gali tiesiog sujungti kiekvieno gamybos iššūkius.

Pergalės formulės dar niekas nesugalvojo.

 

Sąžiningas įvertinimas

 

Optinis perjungimas yra tikra technologija, įdiegta tikruose tinkluose. Tai taip pat technologija, kuriai mažiausiai dvidešimt metų liko „penkeri metai“ nuo visko pakeitimo.

Fizika veikia. Inžinerija žengia į priekį. Ekonomika gerėja. Tam tikroms programoms -apsaugos perjungimas, bangos ilgio kryžminis-jungtys, perkonfigūruojamas add-drop multipleksavimas, tikrinimo automatizavimas-optiniai jungikliai pasirodė kaip tinkamas sprendimas.

Dėl didingesnės optinio paketų perjungimo vizijos, visiškai pašalinant elektroninius maršrutizatorius? Iššūkiai išlieka didžiuliai. Valdymo plokštumos sudėtingumas. Trūksta optinio buferio. Gamybos sąnaudos dideliu mastu. Standartizavimas tarp tiekėjų.

Pažanga tęsiasi. Tyrimo darbai pasirodo kas savaitę. Startuoliai gauna finansavimą. Didelės įmonės įsigyja mažas. Pagrindinis poreikis-perkelti daugiau duomenų naudojant mažiau energijos-neišnyksta.

Galbūt šį kartą ateinantys penkeri metai tikrai bus kitokie.