Optik Anahtarlar: Nedirler ve Nasıl Çalışırlar?

 

Telekomünikasyonda, veri merkezlerinde ve giderek artan kuantum hesaplama araştırmalarında, optik anahtarlar hem onlarca yıllık dağıtım geçmişine sahip olgun bir teknolojiyi hem de araştırmacıların hâlâ beş yıl önce imkansız görünen performans iyileştirmelerini takip ettiği aktif bir sınırı temsil ediyor.

"Kavramsal olarak basit" ile "gerçekte bir tane inşa etmek" arasındaki uçurum, işlerin pahalı ve ilginç hale geldiği yerdir.

 

Neden Işıkla Uğraşalım?

 

Optik anahtarlamanın durumu sinir bozucu tek bir darboğaza indirgenir: O-E-O dönüşümü. Bir optik sinyal geleneksel bir elektronik anahtara her çarptığında, elektrik sinyaline dönüştürülmeli, işlenmeli ve daha sonra bir sonraki fiber segmenti için tekrar fotonlara dönüştürülmelidir. Bu sadece verimsiz değil-savunulamaz hale geliyor.

Modern veri merkezi trafiğinin birkaç yılda bir ikiye katlanma gibi kötü bir alışkanlığı var. Elektronik anahtarlar duvara çarpıyor. Güç tüketimi zayıf bir şekilde ölçekleniyor. SerDes (seri hale getirici/seri hale getirici) devreleri agresif soğutma gerektiren ısı üretir. Ayrıca,-her bir O-E-O atlamanın, çok-katmanlı bir ağ mimarisinde biriken işleme gecikmesine eklediği gecikme süresi de vardır.

Optik bir anahtar tüm bunları ortadan kaldırır. Işık içeri girer, ışık yeniden yönlendirilir, ışık söner. Dönüşüm yok. Paket denetimi yok. Tamponlama yok. Işık gecikmesinin-hızı-esasen anahtar yapısının kendisi boyunca yayılma gecikmesidir ve çoğu pratik amaç için bu sıfır bile olabilir.

Kulağa mükemmel geliyor. Peki neden her şey optik değil?

 

Geçiş Hayvanat Bahçesi

 

İşte işin karmaşıklaştığı yer burası. Tek bir "optik anahtar" teknolojisi yoktur. Her biri farklı uygulamalar için anlamlı olan farklı-ödemelere sahip çok çeşitli yaklaşımlar vardır. Ana kategoriler:

 

Mekanik anahtarlarIşığı yeniden yönlendirmek için optik öğeleri-aynaları, prizmaları, fiber uçlarını- fiziksel olarak hareket ettirin. Ham? Belki. Ancak onlarca yıldır kullanılıyorlar ve çalışıyorlar. Polatis (şu anda Huber+Suhner'in bir parçası), piezoelektrik aktüatörler kullanan 3D ışın-yönlendirme anahtarları üzerine bir iş kurdu. Bunlar, veri merkezi standartlarına göre-milisaniye cinsinden ölçülen anahtarlama süreleri-yavaştır, ancak güvenilirdirler. Sahada konuşlandırılmış birimlerde hatasız olarak bir milyar saati aşan birikmiş aktüatör ömrünün hikayelerini duydum. Bu bir yazım hatası değil.

MEMS anahtarları(mikro-elektro-mekanik sistemler) mekanik konsepti alır ve onu önemli ölçüde küçültür. Fotolitografi kullanılarak silikon veya cam yüzeyler üzerine üretilen küçük aynalar, ışınları yeniden yönlendirmek için eğilebilir. Anahtarlama hızları mikrosaniyelere kadar iyileşir. Liman sayıları yüzlere ulaşabilmektedir. Ancak MEMS üretimi titizlik gerektiriyor ve cihazlar, kontrollü ortamların dışında konuşlandırmayı zorlaştıracak şekilde şok ve titreşime karşı hassas kalıyor.

Termo-optik anahtarlarSilikon dalga kılavuzlarında kırılma indisinin sıcaklığa bağımlılığından yararlanın. Dalga kılavuzunun bir kısmını ince bir-film direnciyle ısıtın, kırılma indisini değiştirin, bir Mach-Zehnder girişimölçerinde faz ilişkisini kaydırın, çıkışı yeniden yönlendirin. Silikonun güçlü bir termo-optik katsayısı-yaklaşık 1,8×10⁻⁴ K⁻¹-vardır ve bu da bu yaklaşımı pratik hale getirir. Geçiş süreleri mikrosaniye-ile-milisaniye aralığına ulaşır. Güç tüketimi önemli: Bu ısıtıcıların durumunu korumak için sürekli akıma ihtiyacı var.

Elektro-optik anahtarlarteorik olarak nanosaniyeler içinde geçiş yapabilir. Silisyumun kullanışlı doğrusal elektro-optik etkileri yoktur, dolayısıyla ya taşıyıcı enjeksiyonu kullanıyorsunuz (bu da kayıp ekliyor) ya da lityum niyobat gibi egzotik malzemelere bakıyorsunuz. LiNbO₃ modülatörleri ben doğmadan önce de ortalıkta dolaşıyor-Pockels hücreleri, Mach-Zehnder modülatörleri, tüm katalog. Yalıtkan üzerindeki ince-film lityum niyobat şu anda bir an yaşıyor; yarım dalga voltajları düşüyor ve entegrasyon yoğunluğu artıyor. Ancak CMOS uyumluluğu hala anlaşılması zor.

 

Ayrıca daha egzotik yaklaşımlar da var: sıvı kristal, akustik-optik, geçit olarak yarı iletken optik amplifikatörler, fotonik kristaller. Her birinin niş uygulamaları vardır. Hiçbiri evrensel çözüm haline gelmedi.

 

 

MEMS: Neredeyse Gelmeye Devam Eden Teknoloji

 

Silikon fotonik MEMS, kendi tartışmasını hak ediyor çünkü büyük-ölçekli optik anahtarlamaya yönelik en umut verici ve aynı zamanda en sinir bozucu yollardan birini temsil ediyor olabilir.

Sunum ilgi çekici: Milyarlarca transistörü seri üretime dönüştüren CMOS-uyumlu süreçlerin aynısını kullanarak optik anahtarlar üretin. Mevcut dökümhane altyapısından yararlanın. Yarı iletken üretim ölçeğinin getirdiği maliyet düşüşlerini elde edin.

UC Berkeley araştırmacıları birkaç yıl önce, ticari dökümhanelerde normal fotolitografik ve kuru{1}}aşındırma işlemlerini kullanarak standart 200 mm SOI levhalar üzerinde fotonik MEMS anahtarları oluşturulabileceğini gösterdi. Egzotik üretim adımları yok. Anahtarlar işe yaradı: 7,7 dB fiberden-fibere-kayıp, 1550nm civarında 30nm optik bant genişliği, 50 mikrosaniyelik anahtarlama süreleri.

Teknik sonuçlar sağlamdı. Zorlayıcı olmaya devam eden şey, diğer her şeydir.

MEMS aktüatörleri, kontrol elektroniklerini karmaşık hale getiren nispeten yüksek sürücü voltajlarına-onlarca volta- ihtiyaç duyar. Mekanik yapıların, işlemin karmaşıklığını artıran HF buharla dağlama kullanılarak altta yatan oksit tabakasından ayrılması gerekir. Fiber dizilere hassas hizalama gerektiren yüzlerce optik bağlantı noktasıyla uğraşırken paketleme zahmetli hale gelir. Ve bir de kontrol düzlemi var: 64x64'lük bir matriste zamanlama darboğazları yaratmadan geçiş yapmayı nasıl koordine edersiniz?

Yakın zamanda bir grup, anahtarın bir dalga kılavuzu geçişinin iki yarısını fiziksel olarak ayırarak veya birleştirerek çalıştığı, bölünmüş dalga kılavuzu geçişleri (esasen MEMS- ile çalıştırılan bağlayıcılar) üzerine bir çalışma yayınladı. Son derece düşük karışma özelliğine sahip 64x64 Benes anahtar dizisini gösterdiler ve bunu performans kaybı olmadan bir milyar anahtarlama döngüsünden geçirdiler. Etkileyici. Hala üretimde değil.

 

Kimsenin Konuşmak İstemediği Çapraz Konuşma Sorunu

 

Pazarlama materyallerinde gözden kaçırılan bir şey var: karışma birikir.

Küçük bir anahtarda-2×2, 4×4 çapraz konuşma -30dB veya daha iyi olabilir. Kabul edilebilir. Ancak büyük ölçekli anahtarlama yapıları birçok temel anahtarlama elemanını basamaklandırır. 64x64'lük bir kumaş, ışığın geçtiği düzinelerce ayrı anahtara ve dalga kılavuzu geçişine sahip olabilir. Her biri yanlış çıkış portuna bir miktar başıboş ışık katıyor.

En kötü-durum senaryosu, kurban kanalınıza tek bir saldırgan sinyalinin sızması değildir. Hepsi aynı anda tutarlı veya tutarsız karışmaya katkıda bulunan N-1 saldırgan var. Bunun için test yapmak tam bir kabustur-biri hariç tüm giriş bağlantı noktalarını aydınlatmanız ve neyin olmaması gereken yerde göründüğünü ölçmeniz gerekir. Yayınlanan sonuçların çoğu, tek yollu karışmayı rapor ediyor, bu da... iyimser.

IBM'deki ve başka yerlerdeki araştırmacılar, ultra-düşük{-karışma tasarımları üzerinde çalışıyorlar ve tek tek anahtarlama hücrelerinde yok olma oranlarını -60dB'ye veya daha iyi bir düzeye çekiyorlar. Bu rakamların, gerçek üretim varyasyonlarıyla büyük kumaşlara ölçeklendirmede hayatta kalıp kalamayacağı başka bir sorudur.

 

Termo-Optik: Kimsenin Sevmediği Beygir

 

Termo-optik MZI anahtarları bu çekiciliğe sahip değil. Elektro-optiğe kıyasla yavaştırlar. MEMS'e kıyasla güç yakarlar. Ancak işe yarıyorlar, silikon fotonik platformlarıyla temiz bir şekilde bütünleşiyorlar ve geniş ölçekte kanıtlandılar.

32x32 termo-optik anahtar yapısı, birkaç yıl önce seramik BGA tel-bağlama yoluyla işlenen yaklaşık 1.560 elektrik I/O bağlantı noktasıyla paketlendi ve karakterize edildi. Bu çok fazla kablo demek. Termal yönetim CuW substratlarını ve termoelektrik soğutucuları içeriyordu. Zarif değil ama işlevsel.

Güç tüketimi, sürekli akıma ihtiyaç duyan dirençli ısıtıcılardan gelir. Her faz kaydırıcı miliwatt çekebilir. Büyük bir kumaştaki yüzlerce veya binlerce öğeyle çarptığınızda termal bütçe gerçek bir kısıtlama haline gelir. Bazı gruplar termal izolasyonu iyileştirmek için asılı dalga kılavuzu yapılarını araştırdı-alt tabakaya daha az ısı sızması, daha hızlı yanıt ve daha düşük güç anlamına gelir- ancak bunun bedeli mekanik kırılganlıktır.

Mikrosaniyelik anahtarlama sürelerini tolere edebilen ve termal yükü kaldırabilen uygulamalar için termo-optik, pragmatik bir seçim olmayı sürdürüyor. Veri merkezinin yeniden yapılandırılması, dalga boyu yönlendirme, test-ve-ölçüm-kimsenin bunlar için nanosaniyelik anahtarlamaya ihtiyacı yoktur.

 

 

Elektro-Optik Vaadi

 

Nanosaniyelik geçiş, daha yavaş teknolojilerin çözemediği kullanım durumlarının kilidini açar. Paket-paket bazında-optik anahtarlama. Seri-mod işlemi. Uygulama talebini gerçek zamanlı olarak izleyen dinamik bant genişliği tahsisi.

Silikonun burada faydası yok. Elektro-optik etkileri çok zayıf. Taşıyıcı-enjeksiyon PIN diyotlarına (çalışır ancak kayıp ekler ve hızı sınırlıdır) veya gerçek Pockels katsayılarına sahip malzemelere ihtiyacınız vardır.

Lityum niyobat onlarca yıldır- başvurulan yöntem olmuştur. Elektro-optik katsayılar 31 pm/V civarında önemli-r₃₃'dur. Thorlabs ve diğerlerinin ticari LiNbO₃ modülatörleri 40 GHz veya ötesinde çalışır. Sorun her zaman entegrasyon yoğunluğu olmuştur. Toplu lityum niyobat cihazları santimetre-ölçeklidir. Dalga kılavuzu genişlikleri silikonda mikron-ölçektedir; dağınık LiNbO₃'da çok daha büyüktürler.

Yalıtkan üzerindeki ince-film LiNbO₃ hesabı değiştirir. Araştırmacılar şimdi bant genişliği 100 GHz'i aşan ve yarım-dalga voltajı 2V'un altında olan Mach-Zehnder modülatörlerini gösteriyor. Ayak izleri, silikon fotoniğin başardıklarına doğru küçülüyor. Doğa gazeteleri düzenli olarak yayınlanıyor.

Fotonik devrenin geri kalanıyla entegrasyon sorun olmaya devam ediyor. LiNbO₃ silikon üzerinde çoğalmaz. Heterojen entegrasyon, maliyeti ve karmaşıklığı artıran bağlanmayı içerir. İnce-film LiNbO₃ levhalara yönelik tedarik zinciri, silikon fotonik ile karşılaştırıldığında yeni ortaya çıkıyor.

Hala. Hıza ihtiyacınız varsa fiziğin işaret ettiği yer burasıdır.

 

Veri Merkezleri Aslında Ne İstiyor?

 

Hiper ölçekleyicilerin, akademik araştırmacıların ilginç buldukları şeylerle her zaman örtüşmeyen özel gereksinimleri vardır.

Port başına maliyet 10$ civarında istiyorlar. Kademeli anahtar mimarileri için ekleme kaybının 10dB'nin altında olmasını istiyorlar. Tahmin edilemeyecek şekilde değişen trafik matrislerini izleyecek kadar hızlı yeniden yapılandırma hızları istiyorlar. Güç verimliliğinin bit başına pikojoule cinsinden veya daha iyi bir şekilde ölçülmesini istiyorlar. Her anahtara bakım yapan özel bakım personeli olmadan, geniş ölçekte dağıtım yapmalarına olanak tanıyan güvenilirlik sayıları istiyorlar.

Polatis gibi şirketlerin MEMS-tabanlı optik devre anahtarları bazı veri merkezi uygulamalarına nüfuz etmiştir. Anahtarlama süreleri-milisaniye-yavaştır, ancak kümeler arası bant genişliğine hakim olan kalıcı "fil" akışları için-milisaniyelik yeniden yapılandırma uygundur. Paketleri-paket bazında- değiştirmeye çalışmıyorsunuz; toplu veri taşıma nedeniyle O-E-O dönüşüm ek yükünden kaçınmaya çalışıyorsunuz.

Mikrosaniyenin altında{0}}optik paket anahtarlama hayali çoğunlukla-bir hayal olarak kalıyor. Kontrol düzlemi sorunu tek başına göz korkutucudur. Optik tamponlar olmadan (pratik olarak mevcut değildir), çekişmeyi elektronik anahtarların yaptığı gibi absorbe edemezsiniz. Planlama mükemmel olmalı. Potansiyel olarak binlerce sunucu arasındaki senkronizasyonun sıkı olması gerekir. Bazı araştırma grupları 40-nanosaniyelik anahtarlama-ve kontrol sistemlerini ortaya koymuştur, ancak ürünleştirme başka bir konudur.

 

Acousto-Optik: Bir Sapma

 

Akustik-optik anahtarlardan bahsetmem gerekiyor çünkü araştırma bağlamlarında sürekli olarak karşımıza çıkıyorlar ve uygulamalar sınırlı kalsa bile fizik gerçekten ilgi çekici.

Akusto-optik modülatör, bir malzemede periyodik bir kırılma indisi ızgarası oluşturmak için akustik dalgaları-tipik olarak dijitallerarası dönüştürücüler tarafından başlatılan yüzey akustik dalgalarını- kullanır. Işık bu ızgaradan kırılıyor. Akustik dalgayı kontrol edin, ışığı kontrol edin.

Yine lityum niyobat: verimli akustik üretimi için güçlü piezoelektrik bağlantı, ışıkla etkileşim için uygun fotoelastik katsayılar. Araştırmacılar, ince-film platformlarında VπL ürünlerine (modülasyon verimliliği için değer değeri) 0,1 V·cm'nin altında AO modülatörleri gösterdiler.

Anahtarlama hızları nanosaniyelerle değil, akustik yayılma-mikrosaniyelerle sınırlıdır. Uygulamalar telekomünikasyon yönlendirmesi yerine RF fotoniğine, frekans değiştirmeye ve lazer Q-anahtarlamaya yöneliyor. Ancak eksiksizlik için teknoloji mevcuttur.

 

Entegrasyon Sorusu

 

Optik anahtarlamayla ilgili her ciddi tartışmada sürekli olarak ortaya çıkan şey şu: Diğer her şeye nasıl uyuyor?

Tek başına bir anahtar işe yaramaz. Alıcı-vericilere, dalga boyu çoğullayıcılara, amplifikatörlere, monitörlere, kontrol elektroniklerine ihtiyacınız var. Bunlardan ne kadar fazlasını tek bir çipe veya tek bir pakete entegre ederseniz sistem ekonomisi o kadar iyi olur.

Silikon fotoniği bir avantaja sahiptir. GlobalFoundries, TSMC ve imec gibi dökümhaneler süreç tasarım kitleri sunmaktadır. Modülatörler, fotodetektörler, dalga boyu filtreleri ve pasif yönlendirmenin tümü aynı platformda bir arada bulunur. Bu yığına MEMS aktivasyonunun eklenmesi,-birçok araştırma grubunun şu anda yaptığı gibi-, fotonik devrenin geri kalanıyla sorunsuz bir şekilde entegre olan anahtarlara olanak sağlayabilir.

Lityum niyobat farklı bir yol izliyor. Malzeme, tek bir alt tabaka üzerinde elektro-optik modülatörleri, akustik-optik cihazları, doğrusal olmayan optik öğeleri ve düşük-kayıplı dalga kılavuzlarını barındırabilir. Alet kutusu muhtemelen silikondan daha zengindir. Ancak üretim ekosistemi daha az olgunlaşmış durumda.

III-V yarı iletkenler (InP, GaAs), silikonun eşleşemeyeceği yarı iletken optik amplifikatörleri ve lazerleri mümkün kılar. Heterojen entegrasyon-farklı malzemeleri birbirine bağlamak-her birinin en iyi yönlerini birleştirebilir. Veya her birinin üretim zorluklarını birleştirebilir.

Kazanmanın formülünü henüz kimse çözemedi.

 

Dürüst Değerlendirme

 

Optik anahtarlama, gerçek ağlarda kullanılan gerçek bir teknolojidir. Aynı zamanda en az yirmi yıldır her şeyi dönüştürmeye "beş yıl uzakta" olan teknolojidir.

Fizik işe yarıyor. Mühendislik ilerliyor. Ekonomi iyileşiyor. Belirli uygulamalar için-koruma anahtarlama, dalgaboyu çapraz-bağlantılar, yeniden yapılandırılabilir ekleme-bırakma çoğullama, test otomasyonu-optik anahtarlar kendilerini doğru çözüm olarak kabul ettirmiştir.

Elektronik yönlendiricileri tamamen ortadan kaldıran optik paket anahtarlamanın daha büyük vizyonu için mi? Zorluklar zorlu olmaya devam ediyor. Düzlem karmaşıklığını kontrol edin. Optik tamponlama eksikliği. Büyük ölçekte üretim maliyetleri. Satıcılar arasında standardizasyon.

İlerleme devam ediyor. Araştırma makaleleri haftalık olarak çıkar. Startup'lar finanse ediliyor. Büyük şirketler küçükleri satın alıyor. Temel ihtiyaç-daha az enerjiyle daha fazla veri taşıma-bitmiyor.

Belki bu sefer önümüzdeki beş yıl gerçekten farklı olacak.