Оптические переключатели: что это такое и как они работают

 

В телекоммуникациях, центрах обработки данных и, во все большей степени, в исследованиях квантовых вычислений оптические переключатели представляют собой одновременно зрелую технологию с десятилетиями истории внедрения и активный фронтир, где исследователи все еще гонятся за улучшениями производительности, которые пять лет назад казались невозможными.

Разрыв между «концептуально простым» и «фактически построенным» — вот где все становится дорогим и интересным.

 

Зачем беспокоиться о свете?

 

Аргументы в пользу оптической коммутации сводятся к одному неприятному узкому месту: преобразованию O-E-O. Каждый раз, когда оптический сигнал попадает на обычный электронный переключатель, он должен быть преобразован в электрический сигнал, обработан, а затем преобразован обратно в фотоны для следующего сегмента волокна. Это не просто неэффективно,-оно становится несостоятельным.

Трафик современных центров обработки данных имеет неприятную привычку удваиваться каждые несколько лет. Электронные переключатели ударяются о стену. Энергопотребление плохо масштабируется. Цепи SerDes (сериализатор/десериализатор) выделяют тепло, которое требует агрессивного охлаждения. И есть задержка,-каждый переход O-E-O добавляет задержку обработки, которая накапливается в многоуровневой сетевой архитектуре.

Оптический переключатель обходит все это. Свет проникает, свет перенаправляется, свет гаснет. Никакой конверсии. Никакой проверки пакетов. Никакой буферизации. Скорость-задержки-света, по сути, представляет собой задержку распространения через саму коммутационную фабрику, которая для большинства практических целей также может быть равна нулю.

Звучит идеально. Так почему же не все оптическое?

 

Переключающийся зоопарк

 

Вот здесь все становится сложнее. Не существует единой технологии «оптического переключателя». Существует целая таксономия подходов, каждый из которых имеет разные компромиссы,-которые имеют смысл для разных приложений. Основные категории:

 

Механические переключателифизически перемещайте оптические элементы-зеркала, призмы, концы оптоволокна-, чтобы перенаправить свет. Сырой? Может быть. Но они используются десятилетиями и работают. Полатис (теперь часть Huber+Suhner) построила бизнес на трехмерных рулевых-переключателях с использованием пьезоэлектрических приводов. По стандартам центров обработки данных эти устройства работают медленно, -время переключения измеряется миллисекундами-, но они надежны. Я слышал истории о совокупном сроке службы приводов, превышающем миллиард часов, при-развертывании в полевых условиях без сбоев. Это не опечатка.

МЭМС-переключатели(микро-электро-механические системы) берут механическую концепцию и существенно ее сужают. Крошечные зеркала, изготовленные на кремниевых или стеклянных подложках с помощью фотолитографии, могут наклоняться, чтобы перенаправлять лучи. Скорость переключения увеличивается до микросекунд. Количество портов может достигать сотен. Но изготовление МЭМС требует особого подхода, и устройства остаются чувствительными к ударам и вибрации, что затрудняет их развертывание за пределами контролируемых сред.

Термо-оптические переключателииспользовать температурную зависимость показателя преломления в кремниевых волноводах. Нагрейте участок волновода с помощью тонкопленочного резистора-, измените показатель преломления, сместите фазовое соотношение в интерферометре Маха-Цендера, перенаправьте выходной сигнал. Кремний имеет сильный термо-оптический коэффициент-около 1,8×10⁻⁴ K⁻¹-, что делает этот подход практичным. Время переключения находится в диапазоне от микросекунд-до-миллисекунд. Проблема в энергопотреблении: этим нагревателям необходим постоянный ток для поддержания состояния.

Электро-оптические переключателитеоретически может переключиться за наносекунды. Кремний не обладает полезными линейными электро-оптическими эффектами, поэтому вы либо используете инжекцию носителей (что увеличивает потери), либо рассматриваете экзотические материалы, такие как ниобат лития. Модуляторы LiNbO₃ существовали еще до моего рождения.-Ячейки Поккельса, Маха-Модуляторы Цендера, весь каталог. Тонкая-пленка ниобата лития на изоляторе сейчас переживает настоящий момент: полуволновые напряжения падают, а плотность интеграции улучшается. Но совместимость с CMOS остается неуловимой.

 

А есть и более экзотические подходы: жидкокристаллические, акусто-оптические, полупроводниковые оптические усилители в качестве затворов, фотонные кристаллы. У каждого есть нишевые приложения. Ни один из них не стал универсальным решением.

 

 

МЭМС: технология, которая почти появляется

 

Кремниевые фотонные МЭМС заслуживают отдельного обсуждения, поскольку они представляют собой, возможно, самый многообещающий путь к крупномасштабному оптическому переключению, но в то же время и один из самых разочаровывающих.

Идея убедительная: изготовить оптические переключатели с использованием тех же процессов, совместимых с КМОП-, которые производят миллиарды транзисторов. Используйте существующую литейную инфраструктуру. Достигните снижения затрат, связанного с масштабированием производства полупроводников.

Несколько лет назад исследователи из Калифорнийского университета в Беркли продемонстрировали, что можно создавать фотонные МЭМС-переключатели на стандартных 200-миллиметровых пластинах КНИ, используя обычные процессы фотолитографии и сухого-травления на коммерческих литейных заводах. Никаких экзотических этапов изготовления. Переключатели работали: потери между---волокном 7,7 дБ, оптическая полоса пропускания 30 нм около 1550 нм, время переключения 50 микросекунд.

Технические результаты были солидными. Что остается сложным, так это все остальное.

МЭМС-актуаторам требуется относительно высокое напряжение возбуждения,-десятки вольт-, что усложняет управляющую электронику. Механические структуры необходимо освободить от нижележащего оксидного слоя с помощью травления парами HF, что усложняет процесс. Компоновка становится проблематичной, когда вы имеете дело с сотнями оптических портов, требующих точного выравнивания по оптоволоконным массивам. А еще есть плоскость управления: как координировать переключение в матрице 64×64, не создавая узких мест в планировании?

Группа недавно опубликовала работу о разделенных волноводных пересечениях,-по сути, МЭМС-разветвителях, в которых переключатель работает путем физического разделения или соединения двух половин волноводного пересечения. Они продемонстрировали коммутационную матрицу Benes 64×64 с удивительно низкими перекрестными помехами и провели с ней миллиард циклов переключения без ухудшения производительности. Впечатляющий. Еще не в производстве.

 

Проблема перекрестных помех, о которой никто не хочет говорить

 

Вот что обычно замалчивается в маркетинговых материалах: накапливаются перекрестные помехи.

В небольшом коммутаторе -2×2, 4×4 перекрестные помехи могут составлять -30 дБ или выше. Приемлемый. Однако в крупномасштабных коммутационных фабриках каскадно соединено множество элементарных коммутационных элементов. В ткани размером 64×64 свет может проходить через десятки отдельных переключателей и волноводных пересечений. Каждый из них вносит немного рассеянного света в неправильный выходной порт.

Худший-сценарий – это не утечка сигнала агрессора в канал вашей жертвы. Это N-1 агрессоров, которые одновременно создают когерентные или некогерентные перекрестные помехи. Тестирование этого — кошмар-вам придется осветить все входные порты, кроме одного, и измерить, что отображается там, где не должно быть. Большинство опубликованных результатов сообщают об однонаправленных перекрестных помехах, что является... оптимистичным.

Исследователи из IBM и других компаний работают над конструкциями со сверх-низкими-перекрестными помехами, доводя коэффициент затухания до -60 дБ или выше в отдельных коммутационных ячейках. Другой вопрос, выдержат ли эти цифры масштабирование на большие ткани с реальными производственными вариациями.

 

Термо-оптика: рабочая лошадка, которую никто не любит

 

Термооптические-переключатели MZI не выглядят так эффектно. Они медленнее по сравнению с электро-оптическими. Они сжигают энергию по сравнению с MEMS. Но они работают, легко интегрируются с платформами кремниевой фотоники и были продемонстрированы в большом масштабе.

Несколько лет назад термооптическая коммутационная фабрика размером 32×32 была упакована и охарактеризована примерно с 1560 электрическими портами ввода-вывода, подключенными через керамические провода BGA-. Это много проводов. В терморегулировании использовались подложки CuW и термоэлектрические охладители. Не элегантно, но функционально.

Потребляемая мощность исходит от тех резистивных нагревателей, которым требуется постоянный ток. Каждый фазовращатель может потреблять милливатт. Умножьте на сотни или тысячи элементов в большой структуре, и тепловой бюджет станет настоящим ограничением. Некоторые группы исследовали подвесные волноводные конструкции для улучшения теплоизоляции-меньше утечки тепла в подложку означает более быстрый отклик и меньшую мощность-но за счет механической хрупкости.

Для приложений, которые могут выдерживать микросекундное время переключения и выдерживать тепловую нагрузку, термо-оптика остается прагматичным выбором. Реконфигурация центра обработки данных, маршрутизация длины волны, тестирование-и-измерения-для этого никому не нужны наносекундные переключения.

 

 

Электро-обещание в области электрооптики

 

Наносекундное переключение открывает возможности использования, которые более медленные технологии просто не могут решить. Пакетная-по-оптическая коммутация пакетов. Пакетный-режим работы. Динамическое распределение полосы пропускания, которое отслеживает потребности приложений в режиме реального времени.

Кремний здесь не поможет. Его электро-оптические эффекты слишком слабы. Вам нужны либо PIN-диоды с инжектором несущей-(которые работают, но добавляют потери и имеют ограниченную скорость) или материалы с реальными коэффициентами Поккельса.

Ниобат лития используется-на протяжении десятилетий. Электро-оптические коэффициенты значительны-r₃₃ около 31 пм/В. Коммерческие модуляторы LiNbO₃ от Thorlabs и других производителей работают на частоте до 40 ГГц и выше. Проблема всегда заключалась в плотности интеграции. Массивные устройства из ниобата лития имеют сантиметровый-масштаб. Ширина волновода в кремнии составляет микроны-; в диффузном LiNbO₃ они намного крупнее.

Тонкая-пленка LiNbO₃ на изоляторе меняет конкремент. В настоящее время исследователи демонстрируют модуляторы Маха-Цендера с полосой пропускания более 100 ГГц и полуволновым напряжением менее 2 В. Следы сокращаются по сравнению с тем, чего достигает кремниевая фотоника. Статьи о природе появляются регулярно.

Интеграция с остальной частью фотонной схемы остается проблемой. LiNbO₃ не растет на кремнии. Гетерогенная интеграция предполагает объединение, что увеличивает стоимость и сложность. Цепочка поставок тонкопленочных пластин LiNbO₃ находится в зачаточном состоянии по сравнению с кремниевой фотоникой.

Все еще. Если вам нужна скорость, то именно на это указывает физика.

 

Чего на самом деле хотят центры обработки данных

 

У гиперскейлеров есть особые требования, которые не всегда совпадают с тем, что интересно академическим исследователям.

Они хотят, чтобы стоимость порта составляла около 10 долларов. Они хотят, чтобы вносимые потери не превышали 10 дБ для архитектур каскадных коммутаторов. Им нужна достаточно быстрая скорость реконфигурации, чтобы отслеживать непредсказуемо смещающиеся матрицы трафика. Им нужна энергоэффективность, измеряемая в пикоджоулях на бит или выше. Им нужны показатели надежности, которые позволят им осуществлять масштабное развертывание без специального обслуживающего персонала, присматривающего за каждым коммутатором.

Оптические переключатели на основе MEMS-от таких компаний, как Polatis, используются в некоторых приложениях центров обработки данных. Время переключения-миллисекунды-невелико, но для постоянных "слоновьих" потоков, которые доминируют над полосой пропускания между-кластерами, миллисекундная реконфигурация подойдет. Вы не пытаетесь переключать пакеты-по-пакетам; вы пытаетесь избежать накладных расходов на преобразование O-E-O при массовом перемещении данных.

Мечта об оптической коммутации пакетов менее-микросекундной длительности по большей части остается-мечтой. Проблема плоскости управления сама по себе является устрашающей. Без оптических буферов (которых практически не существует) вы не сможете поглощать конфликты так, как это делают электронные переключатели. Планирование должно быть идеальным. Синхронизация между потенциально тысячами серверов должна быть строгой. Некоторые исследовательские группы продемонстрировали системы переключения и управления за 40-наносекунд-, но производство — это другой вопрос.

 

Акусто-оптика: обходной путь

 

Я должен упомянуть акустооптические переключатели,-потому что они продолжают появляться в исследовательских целях, а также потому, что физика действительно интересна, даже если их применение остается ограниченным.

Акусто-оптический модулятор использует акустические волны,-обычно поверхностные акустические волны, излучаемые встречно-штыревыми преобразователями-, для создания периодической решетки показателя преломления в материале. Свет преломляется на этой решетке. Управляйте акустической волной, управляйте светом.

И снова ниобат лития: сильная пьезоэлектрическая связь для эффективной генерации звука, достойные коэффициенты фотоупругости для взаимодействия со светом. Исследователи продемонстрировали АО-модуляторы с продуктами VπL (показатель эффективности модуляции) ниже 0,1 В·см на тонкопленочных платформах.

Скорость переключения ограничена акустическим распространением-микросекундами, а не наносекундами. Приложения ориентированы на радиочастотную фотонику, сдвиг частоты и лазерную модуляцию добротности, а не на телекоммуникационную маршрутизацию. Но для полноты технология существует.

 

Вопрос интеграции

 

Вот что постоянно возникает в ходе каждой серьезной дискуссии об оптическом переключении: как оно сочетается со всем остальным?

Сам по себе переключатель бесполезен. Вам нужны трансиверы, мультиплексоры длин волн, усилители, мониторы, управляющая электроника. Чем больше из них вы сможете интегрировать в один чип или в один корпус, тем лучше станет экономика системы.

Кремниевая фотоника имеет преимущество. Такие литейные предприятия, как GlobalFoundries, TSMC и imec, предлагают комплекты для проектирования процессов. Модуляторы, фотодетекторы, фильтры длин волн и пассивная маршрутизация сосуществуют на одной платформе. Добавление в этот набор МЭМС-активаторов,-как это сейчас делают несколько исследовательских групп,-может обеспечить переключатели, которые легко интегрируются с остальной фотонной схемой.

Ниобат лития идет другим путем. Материал может содержать электро-оптические модуляторы, акусто-оптические устройства, нелинейные оптические элементы и волноводы с низкими-потерями на одной подложке. Набор инструментов, пожалуй, богаче кремния. Но производственная экосистема менее зрела.

Полупроводники III-V (InP, GaAs) позволяют создавать полупроводниковые оптические усилители и лазеры, с которыми не может сравниться кремний. Гетерогенная интеграция-связывание разных материалов-может объединить лучшее из каждого. Или это может быть просто объединение производственных задач каждого из них.

Формулу победы еще никто не придумал.

 

Честная оценка

 

Оптическая коммутация — это настоящая технология, применяемая в реальных сетях. Это также технология, которой осталось «пять лет» до того, чтобы изменить все, по крайней мере, двадцать лет.

Физика работает. Техника развивается. Экономика улучшается. Для некоторых приложений-защитная коммутация, перекрёстные-длинные соединения, реконфигурируемое мультиплексирование ввода-отвода, автоматизация тестирования-оптические переключатели зарекомендовали себя как правильное решение.

Для более грандиозной концепции оптической коммутации пакетов, полностью исключающей электронные маршрутизаторы? Проблемы остаются огромными. Сложность плоскости управления. Отсутствие оптической буферизации. Затраты на производство в масштабе. Стандартизация среди поставщиков.

Прогресс продолжается. Научные статьи выходят еженедельно. Стартапы получают финансирование. Большие компании приобретают маленькие. Основная потребность -перемещать больше данных с меньшими затратами энергии-не исчезнет.

Возможно, на этот раз следующие пять лет действительно будут другими.