Оптичні комутатори: що це таке і як вони працюють

 

У телекомунікаціях, центрах обробки даних і все частіше в дослідженнях квантових обчислень оптичні комутатори представляють як зрілу технологію з десятирічною історією розгортання, так і активний рубіж, де дослідники все ще прагнуть покращити продуктивність, що здавалося неможливим п’ять років тому.

Розрив між «концептуально простим» і «фактично створеним» – це те, де все стає дорогим і цікавим.

 

Навіщо турбуватися про світло?

 

Справа в оптичному перемиканні зводиться до одного, неприємного вузького місця: перетворення O-E-O. Кожного разу, коли оптичний сигнал потрапляє на звичайний електронний перемикач, його потрібно перетворити на електричний сигнал, обробити, а потім перетворити назад у фотони для наступного сегмента волокна. Це не просто неефективно-а й стає неприйнятним.

Трафік сучасних центрів обробки даних має неприємну звичку подвоюватись кожні кілька років. Електронні вимикачі вдаряються об стіну. Погано масштабується енергоспоживання. Контури SerDes (серіалізатор/десеріалізатор) виробляють тепло, яке потребує агресивного охолодження. Крім того, є затримка-кожен O-E-O стрибок додає затримку обробки, яка накопичується в багато-рівневій архітектурі мережі.

Оптичний перемикач обходить усе це. Світло входить, світло перенаправляється, світло гасне. Без перетворення. Без перевірки пакетів. Без буферизації. Швидкість--затримки світла — це, по суті, затримка поширення через саму структуру комутатора, яка для більшості практичних цілей може дорівнювати нулю.

Звучить ідеально. Так чому ж не все оптично?

 

Перехідний зоопарк

 

Тут все стає складніше. Єдиної технології «оптичного перемикача» не існує. Існує ціла таксономія підходів, кожен із яких має різні компроміси,-які мають сенс для різних програм. Основні категорії:

 

Механічні перемикачіфізично переміщуйте оптичні елементи-дзеркала, призми, кінці волокон-, щоб переспрямувати світло. Сирий? можливо. Але вони використовуються десятиліттями і працюють. Компанія Polatis (зараз є частиною Huber+Suhner) побудувала бізнес на 3D-променевих-кермових перемикачах за допомогою п’єзоелектричних приводів. Ці речі повільні за стандартами центру обробки даних-час перемикання вимірюється в мілісекундах-але вони надійні. Я чув розповіді про те, що загальний термін служби приводів перевищує мільярд годин у-розгорнутих блоках без збоїв. Це не опечатка.

MEMS перемикачі(мікро-електро-механічні системи) беруть механічну концепцію та різко її звужують. Крихітні дзеркала, виготовлені на кремнієвих або скляних підкладках за допомогою фотолітографії, можуть нахилятися, щоб перенаправляти промені. Швидкість перемикання покращується до мікросекунд. Кількість портів може досягати сотень. Але виготовлення MEMS є складним, і пристрої залишаються чутливими до ударів і вібрації таким чином, що ускладнює розгортання поза межами контрольованого середовища.

Термо{0}}оптичні вимикачівикористовувати температурну залежність показника заломлення в кремнієвих хвилеводах. Нагрійте ділянку хвилеводу тонкоплівковим-резистором, змініть показник заломлення, зсуньте співвідношення фаз в інтерферометрі Маха-Цендера, перенаправте вихід. Кремній має високий термо{4}}оптичний коефіцієнт-приблизно 1,8×10⁻⁴ K⁻¹-, що робить цей підхід практичним. Час перемикання знаходиться в діапазоні від-мікросекунд до-мілісекунд. Споживання електроенергії – це заковика: ці обігрівачі потребують постійного струму, щоб підтримувати стан.

Електр{0}}оптичні перемикачітеоретично може перемикатися за наносекунди. Кремній не має корисних лінійних електро{1}}оптичних ефектів, тому ви або використовуєте інжекцію носія (що збільшує втрати), або шукаєте екзотичні матеріали, такі як ніобат літію. Модулятори LiNbO₃ існують ще до мого народження-елементи Поккельса, модулятори Маха-Цендера, увесь каталог. Тонка-плівка ніобату літію на ізоляторі зараз переживає момент, коли напруга півхвилі-падає, а щільність інтеграції покращується. Але сумісність з CMOS залишається недосяжною.

 

Крім того, є більш екзотичні підходи: рідкокристалічні, акусто-оптичні, напівпровідникові оптичні підсилювачі як затвори, фотонні кристали. У кожного є спеціальні програми. Жодне не стало універсальним рішенням.

 

 

MEMS: технологія, яка майже прибуває

 

Кремнієві фотонні MEMS заслуговують окремого обговорення, оскільки це може бути найобіцяючішим шляхом до-великомасштабного оптичного перемикання, а також одним із найбільш розчаровуючих.

Ідея переконлива: виготовте оптичні перемикачі за допомогою тих самих CMOS-сумісних процесів, які виробляють мільярди транзисторів. Використовуйте існуючу ливарну інфраструктуру. Досягніть зниження витрат завдяки масштабному виробництву напівпровідників.

Кілька років тому дослідники Каліфорнійського університету в Берклі продемонстрували, що можна створювати фотонні MEMS-перемикачі на стандартних 200-мм пластинах SOI, використовуючи звичайні процеси фотолітографії та сухого -травлення на комерційних ливарних цехах. Ніяких екзотичних етапів виготовлення. Перемикачі працювали: втрати волокна-до-волокна 7,7 дБ, оптична смуга пропускання 30 нм близько 1550 нм, час перемикання 50 мікросекунд.

Технічні результати були непоганими. Що залишається складним, так це все інше.

Приводи MEMS потребують відносно високої напруги приводу-десятки вольт-, що ускладнює контрольну електроніку. Механічні структури повинні бути звільнені від нижнього оксидного шару за допомогою високочастотного травлення парою, що ускладнює процес. Пакування стає болючим, коли ви маєте справу з сотнями оптичних портів, які потребують точного вирівнювання з волоконними масивами. І тоді є площина керування: як скоординувати перемикання між матрицею 64 × 64, не створюючи вузьких місць у плануванні?

Група нещодавно опублікувала роботу про перетини розділених хвилеводів-по суті MEMS-зв’язувачі, де перемикач працює шляхом фізичного розділення або з’єднання двох половин перетину хвилеводу. Вони продемонстрували матрицю комутаторів Бенеша 64×64 із надзвичайно низькими перехресними перешкодами та провели її через мільярд циклів комутації без погіршення продуктивності. Вражає. Ще не у виробництві.

 

Проблема перехресних перешкод, про яку ніхто не хоче говорити

 

Ось те, що зазвичай замовчується в маркетингових матеріалах: накопичуються перехресні перешкоди.

У маленькому комутаторі-2×2, 4×4 перехресні перешкоди можуть становити -30 дБ або більше. Прийнятно. Але великомасштабні коммутаційні структури каскадують багато елементарних комутаційних елементів. Тканина 64 × 64 може мати світло, що проходить через десятки окремих перемикачів і хвилеводів. Кожен з них передає трохи розсіяного світла на неправильний вихідний порт.

Найгірший-сценарій полягає в тому, що не один сигнал агресора потрапить у ваш канал жертви. Це N-1 агресор, який одночасно створює когерентні або некогерентні перехресні перешкоди. Тестування для цього – кошмар-вам потрібно було б підсвітити всі вхідні порти, крім одного, і виміряти, що з’являється там, де цього не повинно бути. Більшість опублікованих результатів повідомляють про одноканальні перехресні перешкоди, що є... оптимістичним.

Дослідники в IBM та інших країнах працювали над конструкціями з ультра-низьким-перехресним впливом, підвищуючи коефіцієнти згасання до -60 дБ або вище в окремих комірах комутації. Інше питання, чи витримають ці цифри масштабування до великих тканин із реальними варіаціями виробництва.

 

Thermo-Optic: робоча конячка, яку ніхто не любить

 

Термо-оптичні перемикачі MZI не надають гламуру. Вони повільні порівняно з електро-оптичними. Вони споживають електроенергію порівняно з MEMS. Але вони працюють, вони чітко інтегруються з платформами кремнієвої фотоніки, і їх було продемонстровано в масштабі.

Кілька років тому було упаковано та охарактеризовано термо{2}}тканину термо{2}}32×32 із приблизно 1560 електричними портами вводу/виводу, з’єднаними з керамічним дротом BGA-. Це багато дротів. Тепловий менеджмент включав CuW підкладки та термоелектричні охолоджувачі. Не елегантний, але функціональний.

Споживана потужність походить від тих резистивних нагрівачів, які потребують постійного струму. Кожен фазовращатель може споживати міліват. Помножте на сотні чи тисячі елементів у великій тканині, і тепловий бюджет стане справжнім обмеженням. Деякі групи досліджували підвісні хвилевідні структури для покращення теплоізоляції-менший витік тепла в підкладку означає швидшу реакцію та меншу потужність-але ціною механічної крихкості.

Для додатків, які витримують мікросекундний час перемикання та витримують теплове навантаження, термо{0}}оптика залишається прагматичним вибором. Реконфігурація центру обробки даних, маршрутизація за довжиною хвилі, тестування-і-вимірювання-нікому не потрібні наносекундні перемикання для цього.

 

 

Електро{0}}оптична обіцянка

 

Наносекундне перемикання відкриває випадки використання, які повільніші технології просто не можуть вирішити. Оптична комутація пакетів-за-пакетами. Робота в серійному-режимі. Динамічний розподіл пропускної здатності, який відстежує попит додатків у режимі реального часу.

Силікон тут не допомагає. Його електро{1}}оптичні ефекти надто слабкі. Вам потрібні або PIN-діоди з ін’єкцією носія-(які працюють, але додають втрат і мають обмежену швидкість) або матеріали з реальними коефіцієнтами Поккельса.

Ніобат літію використовувався-впродовж десятиліть. Електро{2}}оптичні коефіцієнти значні-r₃₃ близько 31 пм/В. Комерційні модулятори LiNbO₃ від Thorlabs та інших працюють до 40 ГГц або вище. Проблемою завжди була щільність інтеграції. Об’ємні пристрої з ніобату літію мають сантиметровий-масштаб. Ширина хвилеводу в кремнії становить мікрон-; вони набагато більші в розсіяному LiNbO₃.

Тонка-плівка LiNbO₃ на ізоляторі змінює обчислення. Зараз дослідники демонструють модулятори Mach-Zehnder із смугою пропускання понад 100 ГГц і напругою пів-хвилі нижче 2 В. Сліди звужуються до того, чого досягає кремнієва фотоніка. Газети про природу з’являються регулярно.

Інтеграція з рештою фотонної схеми залишається проблемою. LiNbO₃ не росте на кремнії. Гетерогенна інтеграція передбачає з’єднання, що збільшує вартість і ускладнює роботу. Порівняно з кремнієвою фотонікою ланцюжок постачання для тонкоплівкових пластин LiNbO₃ лише зароджується.

досі. Якщо вам потрібна швидкість, ось на що вказує фізика.

 

Чого насправді хочуть центри обробки даних

 

Гіперскейлери мають особливі вимоги, які не завжди збігаються з тим, що цікавить науковців.

Вони хочуть, щоб вартість порту становила близько 10 доларів. Вони хочуть, щоб внесені втрати були менше 10 дБ для каскадних архітектур комутаторів. Їм потрібна досить висока швидкість реконфігурації, щоб відстежувати матриці трафіку, які непередбачувано змінюються. Вони хочуть, щоб енергоефективність вимірювалася в пікоджоулях на біт або краще. Їм потрібні показники надійності, які дозволять їм розгортати в масштабі без спеціального обслуговуючого персоналу, який доглядає за кожним комутатором.

Перемикачі оптичних схем на основі MEMS- від таких компаній, як Polatis, проникли в деякі програми центрів обробки даних. Час перемикання-мілісекунди-повільний, але для постійних потоків «слона», які домінують між-смугою пропускання кластера, реконфігурація мілісекунд підійде. Ви не намагаєтеся перемикати пакет-за-пакетом; ви намагаєтеся уникнути накладних витрат на перетворення O-E-O для масового переміщення даних.

Мрія про до-мікросекундну оптичну комутацію пакетів залишається переважно-мрією. Сама по собі проблема площини управління лякає. Без оптичних буферів (яких практично не існує) ви не можете поглинати суперечки так, як це роблять електронні комутатори. Розклад повинен бути ідеальним. Синхронізація між потенційно тисячами серверів має бути надійною. Деякі дослідницькі групи продемонстрували 40-наносекундні-системи перемикання та керування, але виробництво — це інша справа.

 

Acousto-Optics: обхід

 

Я мав би згадати акусто{0}}оптичні перемикачі, оскільки вони постійно з’являються в дослідницьких контекстах, а також тому, що фізика справді цікава, навіть якщо застосування залишається обмеженим.

Акусто{0}}оптичний модулятор використовує акустичні хвилі-зазвичай поверхневі акустичні хвилі, створені міжпальцевими перетворювачами-для створення періодичної решітки показника заломлення в матеріалі. Світло дифрагує на цій решітці. Керуйте акустичною хвилею, керуйте світлом.

Знову ніобат літію: сильний п’єзоелектричний зв’язок для ефективної генерації звуку, гідні коефіцієнти фотопружності для взаємодії зі світлом. Дослідники продемонстрували AO-модулятори з продуктами VπL (коефіцієнт ефективності модуляції) нижче 0,1 В·см на тонкоплівкових-платформах.

Швидкість перемикання обмежена мікросекундами-поширення звуку, а не наносекундами. Програми більше спрямовані на радіочастотну фотоніку, зсув частоти та лазерну Q-комутацію, ніж на телекомунікаційну маршрутизацію. Але для повноти, технологія існує.

 

Питання інтеграції

 

Ось що постійно виникає в кожній серйозній дискусії про оптичну комутацію: як це поєднується з усім іншим?

Перемикач сам по собі марний. Вам потрібні трансивери, мультиплексори довжин хвиль, підсилювачі, монітори, керуюча електроніка. Чим більше з них ви можете інтегрувати на одному чіпі або в одному корпусі, тим кращою стає економіка системи.

Кремнієва фотоніка має фору. Ливарні підприємства, такі як GlobalFoundries, TSMC і imec, пропонують набори для проектування процесу. Модулятори, фотодетектори, фільтри довжини хвилі та пасивна маршрутизація співіснують на одній платформі. Додавання MEMS-активації до цього стеку-як зараз роблять кілька дослідницьких груп-може забезпечити перемикачі, які легко інтегруються з рештою фотонної схеми.

Ніобат літію йде іншим шляхом. Цей матеріал може розмістити електро-оптичні модулятори, акусто-оптичні пристрої, нелінійні оптичні елементи та хвилеводи з низькими-втратами на одній підкладці. Набір інструментів, мабуть, багатший за кремній. Але виробнича екосистема менш зріла.

Напівпровідники III-V (InP, GaAs) дозволяють створювати напівпровідникові оптичні підсилювачі та лазери, з якими кремній не може зрівнятися. Гетерогенна інтеграція-з’єднання різних матеріалів разом-може поєднати найкраще з кожного. Або він може просто поєднувати проблеми виготовлення кожного.

Формулу перемоги ще ніхто не придумав.

 

Чесна оцінка

 

Оптична комутація — це реальна технологія, яка використовується в реальних мережах. Це також технологія, якій «залишилося п’ять років» до того, щоб змінити все протягом принаймні двадцяти років.

Фізика працює. Інженерія йде вперед. Економіка покращується. Для певних додатків-захисне перемикання, перехресне{4}}з’єднання за довжиною хвилі, реконфігуроване мультиплексування додавання-відведення, автоматизація тестування-оптичні перемикачі зарекомендували себе як правильне рішення.

Для ширшого бачення оптичної комутації пакетів, яка повністю виключає електронні маршрутизатори? Виклики залишаються величезними. Складність площини управління. Відсутність оптичної буферизації. Витрати на виробництво в масштабі. Стандартизація між постачальниками.

Прогрес триває. Дослідницькі роботи виходять щотижня. Стартапи отримують фінансування. Великі компанії купують маленькі. Основна потреба-передати більше даних із меншою енергією-не зникне.

Можливо, цього разу наступні п’ять років дійсно будуть іншими.