Interruptors òptics: què són i com funcionen

 

En telecomunicacions, centres de dades i, cada cop més, en la investigació de la informàtica quàntica, els commutadors òptics representen una tecnologia madura amb dècades d'historial de desplegament i una frontera activa on els investigadors encara persegueixen millores de rendiment que semblaven impossibles fa cinc anys.

La bretxa entre "conceptualment senzill" i "realment construir-ne un" és on les coses es tornen cares i interessants.

 

Per què molestar-se amb la llum?

 

El cas de la commutació òptica es redueix a un únic coll d'ampolla frustrant: la conversió O-E-O. Cada vegada que un senyal òptic colpeja un interruptor electrònic convencional, s'ha de convertir en un senyal elèctric, processar-lo i tornar-lo a convertir en fotons per al següent segment de fibra. Això no només és ineficient-s'està tornant insostenible.

El trànsit dels centres de dades moderns té el mal costum de duplicar-se cada pocs anys. Els interruptors electrònics xoquen contra una paret. El consum d'energia s'escala malament. Els circuits SerDes (serialitzador/deserialitzador) generen calor que requereix una refrigeració agressiva. I hi ha la latència-cada salt O{-E{-O afegeix un retard de processament que s'acumula en una arquitectura de xarxa de diversos-nivells.

Un interruptor òptic evita tot això. La llum entra, la llum es redirigeix, la llum s'apaga. Sense conversió. Sense inspecció de paquets. Sense buffering. La velocitat-de-latència de la llum és essencialment el retard de propagació a través del teixit del commutador, que per a la majoria de propòsits pràctics també podria ser zero.

Sona perfecte. Aleshores, per què no tot és òptic?

 

The Switching Zoo

 

Aquí és on es complica. No hi ha una tecnologia única de "interruptor òptic". Hi ha tota una taxonomia d'enfocaments, cadascun amb diferents intercanvis-que tenen sentit per a diferents aplicacions. Les categories principals:

 

Interruptors mecànicsmoveu físicament els elements òptics-miralls, prismes, extrems de fibra-per redirigir la llum. Cru? Potser. Però fa dècades que s'han desplegat i funcionen. Polatis (ara part de Huber+Suhner) ha creat un negoci amb interruptors de direcció de feix-3D amb actuadors piezoelèctrics. Aquestes coses són lentes segons els estàndards del centre de dades-temps de canvi mesurats en mil·lisegons-però són fiables. He escoltat històries de vida acumulada de l'actuador que supera els mil milions d'hores en unitats-desplegades de camp sense errors. Això no és una errada d'ortografia.

Interruptors MEMS(sistemes micro-electro-mecànics) prenen el concepte mecànic i el redueixen dràsticament. Els petits miralls fabricats sobre substrats de silici o vidre mitjançant fotolitografia poden inclinar-se per redirigir els feixos. Les velocitats de commutació milloren fins a microsegons. El recompte de ports pot arribar als centenars. Però la fabricació de MEMS és delicada i els dispositius segueixen sent sensibles als cops i a les vibracions d'una manera que dificulta el desplegament fora d'entorns controlats.

Interruptors tèrmics-òpticsexplotar la dependència de la temperatura de l'índex de refracció en guies d'ones de silici. Escalfeu una secció de guia d'ones amb una resistència de pel·lícula-prima, canvieu l'índex de refracció, canvieu la relació de fase en un interferòmetre de Mach-Zehnder, redirigeu la sortida. El silici té un fort coeficient termo-òptic-al voltant de 1,8×10⁻⁴ K⁻¹{-, cosa que fa que aquest enfocament sigui pràctic. Els temps de canvi aterren en un interval de-microsegons a-milisegons. El consum d'energia és el problema: aquests escalfadors necessiten corrent continu per mantenir l'estat.

Interruptors electro-òpticsteòricament pot canviar en nanosegons. El silici no té efectes electro-òptics lineals útils, de manera que utilitzeu la injecció de portador (que afegeix pèrdues) o bé observeu materials exòtics com el niobat de liti. Els moduladors de LiNbO₃ existeixen des d'abans que jo nasqués-cèl·lules de Pockels, moduladors de Mach-Zehnder, tot el catàleg. El niobat de liti de pel·lícula fina-a l'aïllant té un moment en aquests moments, amb la caiguda de voltatges de mitja-ona i la millora de la densitat d'integració. Però la compatibilitat CMOS continua essent esquiva.

 

I després hi ha els enfocaments més exòtics: cristalls líquids, òptics acústics, amplificadors òptics semiconductors com a portes, cristalls fotònics. Cadascun té aplicacions de nínxol. Cap s'ha convertit en la solució universal.

 

 

MEMS: La tecnologia que segueix arribant

 

Els MEMS fotònics de silici mereixen la seva pròpia discussió perquè representa el que podria ser el camí més prometedor cap a la commutació òptica a gran-escala, i també un dels més frustrants.

L'argument és convincent: fabriqueu interruptors òptics utilitzant els mateixos processos compatibles amb CMOS-que produeixen milers de milions de transistors. Aprofitar la infraestructura de foneria existent. Aconseguiu les reduccions de costos que comporta l'escala de fabricació de semiconductors.

Els investigadors de la UC Berkeley van demostrar fa uns anys que podríeu construir interruptors MEMS fotònics en hòsties SOI estàndard de 200 mm mitjançant processos habituals de gravat fotolitogràfic i-sec en foneries comercials. Sense passos de fabricació exòtics. Els interruptors van funcionar: 7,7 dB de fibra-a-pèrdua de fibra, 30nm d'amplada de banda òptica al voltant de 1550 nm, temps de commutació de 50 microsegons.

Els resultats tècnics van ser sòlids. El que segueix sent un repte és tota la resta.

Els actuadors MEMS necessiten tensions d'accionament relativament altes-desenes de volts-la qual cosa complica l'electrònica de control. Les estructures mecàniques s'han d'alliberar de la capa d'òxid subjacent mitjançant gravat de vapor HF, que afegeix complexitat al procés. L'embalatge es fa dolorós quan es tracta de centenars de ports òptics que necessiten una alineació precisa amb les matrius de fibra. I després hi ha el pla de control: com es coordina el canvi entre una matriu de 64 × 64 sense crear colls d'ampolla de programació?

Un grup va publicar recentment un treball sobre encreuaments de guies d'ona dividides-essencialment, acobladors accionats per MEMS-on l'interruptor funciona separant o unint físicament dues meitats d'un encreuament de guies d'ona. Van demostrar una matriu d'interruptors Benes de 64 × 64 amb una diafonia notablement baixa i la van executar a través de mil milions de cicles de commutació sense degradació del rendiment. Impressionant. Encara no en producció.

 

El problema de la diafonia del qual ningú vol parlar

 

Aquí hi ha una cosa que tendeix a passar per alt als materials de màrqueting: s'acumula la diafonia.

En un interruptor petit-2×2, la diafonia 4×4 pot ser de -30 dB o millor. Acceptable. Però els teixits de commutació a gran escala fan en cascada molts elements de commutació elementals. Un teixit de 64 × 64 pot tenir llum que travessa desenes d'interruptors individuals i encreuaments de guies d'ones. Cadascun aporta una mica de llum dispersa al port de sortida incorrecte.

El pitjor-escenari és que un senyal d'agressor no es filtri al vostre canal de víctima. Són N-1 agressors que contribueixen a una diafonia coherent o incoherent simultàniament. Provar això és un malson-hauries d'il·luminar tots els ports d'entrada excepte un i mesurar què apareix on no hauria de ser. La majoria dels resultats publicats informen d'una diafonia d'un sol camí, que és... optimista.

Els investigadors d'IBM i d'altres llocs han estat treballant en dissenys de diafonia ultra-baix-, augmentant les ràtios d'extinció a -60 dB o millor en cèl·lules de commutació individuals. Si aquests números sobreviuen a l'escala a grans teixits amb variacions reals de fabricació és una altra qüestió.

 

Thermo-Optic: el cavall de batalla que ningú estima

 

Els interruptors termo-òptics MZI no reben el glamur. Són lents en comparació amb l'electro-òptica. Cremen energia en comparació amb MEMS. Però funcionen, s'integren netament amb plataformes fotòniques de silici i s'han demostrat a escala.

Fa uns quants anys es va empaquetar i caracteritzar un teixit d'interruptor termo-de 32 × 32 × 32 amb una cosa així com 1.560 ports d'E/S elèctrics gestionats a través d'un cable-de ceràmica BGA. Això són molts cables. La gestió tèrmica va implicar substrats CuW i refrigeradors termoelèctrics. No elegant, però funcional.

El consum d'energia prové d'aquells escalfadors resistius que necessiten corrent continu. Cada canviador de fase pot extreure miliwatts. Multipliqui per centenars o milers d'elements en un teixit gran i el pressupost tèrmic es converteix en una veritable limitació. Alguns grups han explorat estructures de guies d'ones suspeses per millorar l'aïllament tèrmic-menys fuites de calor al substrat significa una resposta més ràpida i menor potència-però a costa de la fragilitat mecànica.

Per a les aplicacions que poden tolerar temps de commutació de microsegons i poden suportar la càrrega tèrmica, la termo-òptica segueix sent l'opció pragmàtica. Reconfiguració del centre de dades, encaminament de longituds d'ona, prova-i-mesura-ningú necessita canvis de nanosegons per a aquests.

 

 

La promesa electro-òptica

 

La commutació de nanosegons desbloqueja casos d'ús que les tecnologies més lentes simplement no poden abordar. Commutació òptica de paquet-per-paquet. Operació en mode ràfega-. Assignació dinàmica d'ample de banda que fa un seguiment de la demanda d'aplicacions en temps real.

El silici no ajuda aquí. Els seus efectes electro-òptics són massa febles. Necessiteu díodes PIN d'injecció de portador-(que funcionen però afegeixen pèrdues i tenen una velocitat limitada) o materials amb coeficients de Pockels reals.

El niobat de liti fa dècades que s'utilitza{0}}. Els coeficients electro-òptics són substancials-r₃₃ al voltant de 31 pm/V. Els moduladors comercials de LiNbO₃ de Thorlabs i altres funcionen a 40 GHz o més. El problema sempre ha estat la densitat d'integració. Els dispositius de niobat de liti a granel tenen una escala-centimètrica. Les amplades de la guia d'ones són a escala-micra en silici; són molt més grans en LiNbO₃ difús.

La-pel·lícula fina de LiNbO₃ a l'aïllant canvia el càlcul. Els investigadors ara estan demostrant moduladors Mach-Zehnder amb amplades de banda superiors a 100 GHz i voltatges de mitja-ona inferiors a 2 V. Les petjades s'estan reduint cap al que aconsegueix la fotònica de silici. Els papers de la natura estan apareixent amb regularitat.

La integració amb la resta d'un circuit fotònic segueix sent el problema. LiNbO₃ no creix sobre silici. La integració heterogènia implica la vinculació, que afegeix cost i complexitat. La cadena de subministrament de les hòsties de LiNbO₃ de pel·lícula-fina és incipient en comparació amb la fotònica de silici.

Encara. Si necessiteu velocitat, aquí és on apunta la física.

 

Què volen realment els centres de dades

 

Els hiperescaladors tenen requisits específics que no sempre s'alineen amb allò que els investigadors acadèmics troben interessant.

Volen un cost per port d'uns 10 dòlars. Volen una pèrdua d'inserció inferior a 10 dB per a arquitectures de commutació en cascada. Volen velocitats de reconfiguració prou ràpides per fer un seguiment de les matrius de trànsit que canvien de manera imprevisible. Volen una eficiència energètica mesurada en picojoules per bit o millor. Volen números de fiabilitat que els permetin desplegar-se a escala sense que el personal de manteniment dedicat a cada interruptor.

Els commutadors de circuits òptics basats en MEMS-d'empreses com Polatis han penetrat en algunes aplicacions del centre de dades. Els temps de canvi-mil·lisegons-són lents, però per als fluxos "elefants" persistents que dominen l'amplada de banda entre-clústers, la reconfiguració de mil·lisegons està bé. No esteu intentant canviar paquet-per-paquet; esteu intentant evitar la sobrecàrrega de conversió O-E-O per al moviment massiu de dades.

El somni de la commutació de paquets òptics de sub-microsegons continua sent principalment aquest-un somni. Només el problema del pla de control és descoratjador. Sense buffers òptics (que pràcticament no existeixen), no podeu absorbir la contenció com ho fan els interruptors electrònics. La programació ha de ser perfecta. La sincronització entre potencialment milers de servidors ha de ser estreta. Alguns grups de recerca han demostrat sistemes de control i commutació de 40-nanosegons-, però la productivitat és una altra qüestió.

 

Acousto-Òptica: un desviament

 

He d'esmentar els interruptors acústics-òptics perquè continuen apareixent en contextos de recerca i perquè la física és realment interessant encara que les aplicacions segueixen sent limitades.

Un modulador acústic-òptic utilitza ones acústiques-normalment ones acústiques superficials llançades per transductors interdigitals-per crear una xarxa periòdica d'índex de refracció en un material. La llum es difracta d'aquesta xarxa. Controla l'ona acústica, controla la llum.

Niobat de liti de nou: fort acoblament piezoelèctric per a una generació acústica eficient, coeficients fotoelàstics decents per a la interacció amb la llum. Els investigadors han demostrat moduladors AO amb productes VπL (la xifra de mèrit per a l'eficiència de modulació) per sota de 0,1 V·cm en plataformes de pel·lícula-prima.

Les velocitats de commutació estan limitades per la propagació acústica-microsegons, no per nanosegons. Les aplicacions tendeixen a la fotònica de RF, el canvi de freqüència i la commutació Q-làser en lloc de l'encaminament de telecomunicacions. Però per completar-ho, la tecnologia existeix.

 

La qüestió de la integració

 

Això és el que segueix apareixent en totes les discussions serioses sobre la commutació òptica: com encaixa amb tota la resta?

Un interruptor per si sol és inútil. Necessites transceptors, multiplexors de longitud d'ona, amplificadors, monitors, electrònica de control. Com més d'aquests pugueu integrar en un sol xip o en un sol paquet, millor serà l'economia del sistema.

La fotònica de silici té un avantatge. Fundicions com GlobalFoundries, TSMC i imec ofereixen kits de disseny de processos. Moduladors, fotodetectors, filtres de longitud d'ona i encaminament passiu coexisteixen a la mateixa plataforma. Si s'afegeix l'activació MEMS a aquesta pila-com ho estan fent ara diversos grups de recerca-podria habilitar interruptors que s'integrin perfectament amb la resta de circuits fotònics.

El niobat de liti pren un camí diferent. El material pot allotjar moduladors electro-òptics, dispositius acústics-òptics, elements òptics no lineals i guies d'ona de baixa-pèrdua, tot en un sol substrat. La caixa d'eines és possiblement més rica que el silici. Però l'ecosistema de fabricació és menys madur.

Els semiconductors III-V (InP, GaAs) permeten amplificadors òptics i làsers semiconductors que el silici no pot igualar. La integració heterogènia-unint diferents materials-podria combinar el millor de cadascun. O podria combinar els reptes de fabricació de cadascun.

Ningú ha descobert encara la fórmula guanyadora.

 

La valoració honesta

 

La commutació òptica és una tecnologia real desplegada en xarxes reals. També és una tecnologia que ha estat "a cinc anys" de transformar-ho tot durant almenys vint anys.

La física funciona. L'enginyeria avança. L'economia està millorant. Per a determinades aplicacions, els commutadors òptics-conmutació de protecció,-connexió creuada de longitud d'ona,-multiplexació de caiguda addicional reconfigurable, automatització de proves-s'han establert com la solució adequada.

Per a la visió més gran de la commutació òptica de paquets eliminant completament els encaminadors electrònics? Els reptes segueixen sent formidables. Complexitat del pla de control. Manca de buffer òptic. Costos de fabricació a escala. Estandardització entre proveïdors.

El progrés continua. Els treballs de recerca apareixen setmanalment. Les startups reben finançament. Les grans empreses adquireixen les petites. La necessitat subjacent-de moure més dades amb menys energia-no desapareixerà.

Potser aquesta vegada, els propers cinc anys seran realment diferents.