Switshis Optegol: Beth ydyn nhw a sut maen nhw'n gweithio

 

Mewn telathrebu, canolfannau data, ac yn gynyddol mewn ymchwil cyfrifiadura cwantwm, mae switshis optegol yn cynrychioli technoleg aeddfed gyda degawdau o hanes defnyddio a ffin weithredol lle mae ymchwilwyr yn dal i fynd ar drywydd gwelliannau perfformiad a oedd yn ymddangos yn amhosibl bum mlynedd yn ôl.

Y bwlch rhwng "cysyniadol syml" ac "adeiladu un mewn gwirionedd" yw lle mae pethau'n mynd yn ddrud ac yn ddiddorol.

 

Pam Trafferthu gyda Golau?

 

Daw'r achos dros newid optegol i lawr i un dagfa rhwystredig: y trosiad O-E-O. Bob tro y bydd signal optegol yn taro switsh electronig confensiynol, rhaid ei drawsnewid yn signal trydanol, ei brosesu, yna ei drawsnewid yn ôl i ffotonau ar gyfer y segment ffibr nesaf. Nid yw hyn yn aneffeithlon yn unig-mae'n dod yn anghynaladwy.

Mae gan draffig canolfan ddata fodern arfer cas o ddyblu bob ychydig flynyddoedd. Mae switshis electronig yn taro wal. Graddfeydd defnydd pŵer yn wael. Mae cylchedau SerDes (serializer / deserializer) yn cynhyrchu gwres sy'n gofyn am oeri ymosodol. Ac mae'r hwyrni-pob O-E-Mae O hop yn ychwanegu oedi prosesu sy'n cronni ar draws pensaernïaeth rhwydwaith aml-haen.

Mae switsh optegol yn ochri hyn i gyd. Golau yn mynd i mewn, golau yn cael ei ailgyfeirio, golau yn mynd allan. Dim trosi. Dim archwiliad pecyn. Dim byffro. Yn ei hanfod, cyflymdra'r hwyrni golau yw'r oedi ymlediad trwy'r ffabrig switsh ei hun, a allai fod yn sero at y rhan fwyaf o ddibenion ymarferol.

Swnio'n berffaith. Felly pam nad yw popeth yn optegol?

 

Y Sw Newid

 

Dyma lle mae'n mynd yn gymhleth. Nid oes un dechnoleg "switsh optegol". Mae yna dacsonomeg gyfan o ddulliau, pob un â gwahanol fanteision sy'n gwneud synnwyr ar gyfer gwahanol gymwysiadau. Y prif gategorïau:

 

Switsys mecanyddolsymud elfennau optegol yn gorfforol-drychau, prismau, pennau ffibr-i ailgyfeirio golau. Crai? Efallai. Ond maen nhw wedi cael eu defnyddio ers degawdau ac maen nhw'n gweithio. Mae Polatis (sydd bellach yn rhan o Huber+Suhner) wedi adeiladu busnes ar switshis llywio trawst 3D gan ddefnyddio actiwadyddion piezoelectrig. Mae'r pethau hyn yn araf yn ôl safonau canolfan ddata-amseroedd newid a fesurir mewn milieiliadau-ond maent yn ddibynadwy. Rwyf wedi clywed straeon am fywyd actiwadydd cronedig yn fwy na biliwn o oriau ar draws-unedau a ddefnyddir yn y maes heb fethiannau. Nid typo yw hynny.

Switsys MEMS(systemau meicro-electro-) yn cymryd y cysyniad mecanyddol ac yn ei grebachu’n ddramatig. Gall drychau bach wedi'u gwneud ar swbstradau silicon neu wydr gan ddefnyddio ffotolithograffeg ogwyddo i ailgyfeirio trawstiau. Mae'r cyflymder newid yn gwella i ficroseconds. Gall cyfrif porthladdoedd gyrraedd y cannoedd. Ond mae gwneuthuriad MEMS yn finiog, ac mae'r dyfeisiau'n parhau i fod yn sensitif i sioc a dirgryniad mewn ffyrdd sy'n ei gwneud yn anodd eu defnyddio y tu allan i amgylcheddau rheoledig.

Switsys optig thermo-manteisio ar ddibyniaeth tymheredd mynegai plygiannol mewn tonnau silicon. Cynheswch adran o donfedd gyda gwrthydd ffilm tenau, newidiwch y mynegai plygiant, symudwch y berthynas gwedd mewn interferomedr Zehnder Mach, ailgyfeirio'r allbwn. Mae gan Silicon gyfernod thermo-optig cryf-tua 1.8×10⁻⁴ K⁻¹-sy'n gwneud y dull hwn yn ymarferol. Mae amseroedd newid yn glanio yn yr ystod microsecond-i-yr ystod milieiliad. Defnydd pŵer yw'r dalfa: mae angen cerrynt parhaus ar y gwresogyddion hynny i gynnal y cyflwr.

Switsys optig electro-yn gallu newid nanoseconds yn ddamcaniaethol. Nid oes gan silicon effeithiau electro-optig llinol defnyddiol, felly rydych naill ai'n defnyddio chwistrelliad cludo (sy'n ychwanegu colled) neu'n edrych ar ddeunyddiau egsotig fel lithiwm niobate. Mae modulatyddion LiNbO₃ wedi bod o gwmpas ers cyn i mi gael fy ngeni-celloedd pocedi, Mach-modulators Zehnder, y catalog cyfan. Mae lithiwm niobate ffilm tenau ar ynysydd yn cael eiliad ar hyn o bryd, gyda hanner-foltedd tonnau yn gostwng a dwysedd integreiddio yn gwella. Ond mae cydnawsedd CMOS yn parhau i fod yn aneglur.

 

Ac yna mae yna ddulliau mwy egsotig: mwyhaduron optegol crisial hylifol, acwsto-optig, lled-ddargludyddion fel gatiau, crisialau ffotonig. Mae gan bob un gymwysiadau arbenigol. Nid oes yr un wedi dod yn ateb cyffredinol.

 

 

MEMS: Y Dechnoleg Sy'n Parhau Bron â Chyrraedd

 

Mae MEMS ffotonig silicon yn haeddu ei drafodaeth ei hun oherwydd ei fod yn cynrychioli'r llwybr mwyaf addawol tuag at newid optegol ar raddfa fawr, a hefyd un o'r rhai mwyaf rhwystredig.

Mae'r traw yn gymhellol: gwnewch switshis optegol gan ddefnyddio'r un prosesau sy'n gydnaws â CMOS sy'n corddi biliynau o dransistorau. Trosoledd y seilwaith ffowndri presennol. Cyflawni'r gostyngiadau cost a ddaw gyda graddfa gweithgynhyrchu lled-ddargludyddion.

Dangosodd ymchwilwyr UC Berkeley ychydig flynyddoedd yn ôl y gallech adeiladu switshis MEMS ffotonig ar wafferi SOI 200mm safonol gan ddefnyddio prosesau ffotolithograffig a sych-ysgythru rheolaidd mewn ffowndrïau masnachol. Dim camau gwneuthuriad egsotig. Gweithiodd y switshis: 7.7 dB ffibr i-colli ffibr, lled band optegol 30nm tua 1550nm, amseroedd newid 50 microsecond.

Roedd y canlyniadau technegol yn gadarn. Yr hyn sy'n parhau i fod yn heriol yw popeth arall.

Mae angen folteddau gyriant cymharol uchel-degau o foltiau-ar actiwators MEMS, sy'n cymhlethu'r electroneg rheoli. Rhaid rhyddhau'r strwythurau mecanyddol o'r haen ocsid sylfaenol gan ddefnyddio ysgythriad anwedd HF, sy'n ychwanegu cymhlethdod proses. Mae pecynnu yn mynd yn boenus pan fyddwch chi'n delio â channoedd o borthladdoedd optegol sydd angen aliniad manwl gywir i araeau ffibr. Ac yna mae'r awyren reoli: sut ydych chi'n cydlynu newid ar draws matrics 64 × 64 heb greu tagfeydd amserlennu?

Yn ddiweddar, cyhoeddodd grŵp waith ar groesfannau tonfedd hollt-MEMS yn ei hanfod-cyplyddion actifedig lle mae'r switsh yn gweithredu trwy wahanu'n ffisegol neu uno dau hanner croesfan donfedd. Fe wnaethant arddangos arae switsh Benes 64 × 64 gyda crosstalk hynod o isel a'i redeg trwy biliwn o gylchoedd newid heb ddiraddio perfformiad. Yn drawiadol. Dal ddim yn cynhyrchu.

 

Y Broblem Crosstalk Does neb eisiau siarad amdani

 

Dyma rywbeth sy'n tueddu i gael ei glosio yn y deunyddiau marchnata: mae crosstalk yn cronni.

Mewn switsh bach-2×2, gallai 4×4-crosstalk fod yn -30dB neu well. Derbyniol. Ond mae ffabrigau switsh ar raddfa fawr yn rhaeadru llawer o elfennau newid elfennol. Efallai y bydd gan ffabrig 64 × 64 olau yn croesi dwsinau o switshis unigol a chroesfannau canllaw tonnau. Mae pob un yn cyfrannu ychydig o olau strae i'r porthladd allbwn anghywir.

Nid yw'r senario gwaethaf-yn un signal ymosodwr yn gollwng i'ch sianel dioddefwr. Mae'n N-1 ymosodwr i gyd yn cyfrannu crosstalk cydlynol neu anghydlynol ar yr un pryd. Mae profi hyn yn hunllef-byddai angen i chi oleuo'r holl borthladdoedd mewnbwn ac eithrio un a mesur yr hyn sy'n dangos lle na ddylai. Mae'r rhan fwyaf o'r canlyniadau cyhoeddedig yn adrodd am crosstalk un llwybr, sy'n... optimistaidd.

Mae ymchwilwyr yn IBM ac mewn mannau eraill wedi bod yn gweithio ar ddyluniadau crosstalk ultra{0}}isel-, gan wthio cymarebau difodiant i -60dB neu well mewn celloedd newid unigol. Cwestiwn arall yw p'un a yw'r niferoedd hynny'n goroesi graddio i ffabrigau mawr gydag amrywiadau gweithgynhyrchu gwirioneddol.

 

Thermo-Optic: The Workhorse Neb yn Caru

 

Nid yw switshis MZI optig thermo-yn cael y hudoliaeth. Maen nhw'n araf o'u cymharu ag electro-optig. Maent yn llosgi pŵer o gymharu â MEMS. Ond maen nhw'n gweithio, maen nhw'n integreiddio'n lân â llwyfannau ffotoneg silicon, ac maen nhw wedi'u harddangos ar raddfa.

Cafodd ffabrig switsh optig thermo-32 × 32 ei becynnu a'i nodweddu sawl blwyddyn yn ôl gyda rhywbeth fel 1,560 o borthladdoedd I/O trydanol yn cael eu trin trwy fondio gwifren BGA ceramig-. Dyna lawer o wifrau. Roedd y rheolaeth thermol yn cynnwys swbstradau CuW ac oeryddion thermodrydanol. Ddim yn gain, ond yn ymarferol.

Daw'r defnydd pŵer o'r gwresogyddion gwrthiannol hynny sydd angen cerrynt parhaus. Gallai pob symudwr cam dynnu miliwat. Lluoswch â channoedd neu filoedd o elfennau mewn ffabrig mawr ac mae'r gyllideb thermol yn dod yn gyfyngiad gwirioneddol. Mae rhai grwpiau wedi archwilio strwythurau tonnau crog i wella ynysu thermol-mae llai o wres yn gollwng i'r swbstrad yn golygu ymateb cyflymach a phŵer is-ond ar gost breuder mecanyddol.

Ar gyfer cymwysiadau sy'n gallu goddef amseroedd newid microsecond ac sy'n gallu delio â'r llwyth thermol, thermo-optig yw'r dewis pragmatig o hyd. Ail-ffurfweddu canolfan ddata, llwybro tonfedd, -profi a-mesur-does neb angen newid nanosecond ar gyfer y rhain.

 

 

Yr Addewid Electro-Optic

 

Mae newid Nanosecond yn datgloi achosion defnydd na all technolegau arafach fynd i'r afael â nhw. Pecyn-gan-newid pecyn optegol. Gweithred modd byrstio. Dyraniad lled band deinamig sy'n olrhain galw ceisiadau mewn amser real.

Nid yw Silicon yn helpu yma. Mae ei heffeithiau optig electro yn rhy wan. Mae angen deuodau PIN chwistrelliad -cludwr arnoch (sy'n gweithio ond yn ychwanegu colled ac sydd â chyflymder cyfyngedig) neu ddeunyddiau gyda chyfernodau Poceli go iawn.

Mae Lithium niobate wedi bod yn rhywbeth ers degawdau. Mae'r cyfernodau electro-optig yn sylweddol-r₃₃ tua 31 pm/V. Mae modulatyddion LiNbO₃ masnachol o Thorlabs ac eraill yn gweithredu i 40GHz neu fwy. Dwysedd integreiddio fu'r broblem erioed. Graddfa gentimetrau yw dyfeisiau lithiwm niobate swmp. Graddfa micron mewn silicon yw lled y canllaw tonnau; maent yn llawer mwy mewn LiNbO₃ gwasgaredig.

Mae{0}ffilm tenau LiNbO₃ ar ynysydd yn newid y calcwlws. Mae ymchwilwyr bellach yn arddangos modulators Mach-Zehnder gyda lled band dros 100GHz a hanner-foltedd tonnau o dan 2V. Mae'r olion traed yn crebachu tuag at yr hyn y mae ffotoneg silicon yn ei gyflawni. Mae papurau natur yn ymddangos yn rheolaidd.

Mae integreiddio â gweddill cylched ffotonig yn parhau i fod yn broblem. Nid yw LiNbO₃ yn tyfu ar silicon. Mae integreiddio heterogenaidd yn golygu bondio, sy'n ychwanegu cost a chymhlethdod. Mae'r gadwyn gyflenwi ar gyfer wafferi LiNbO₃ ffilm tenau yn eginol o gymharu â ffotoneg silicon.

Dal. Os oes angen cyflymder arnoch chi, dyma lle mae'r ffiseg yn pwyntio.

 

Yr Hyn y mae Canolfannau Data Yn Ei Eisiau Mewn Gwirionedd

 

Mae gan yr hyperscalers ofynion penodol nad ydynt bob amser yn cyd-fynd â'r hyn y mae ymchwilwyr academaidd yn ei gael yn ddiddorol.

Maen nhw eisiau cost fesul porthladd tua $10. Maen nhw eisiau colled mewnosod o dan 10dB ar gyfer pensaernïaeth switsh rhaeadru. Maen nhw eisiau cyflymderau ailgyflunio yn ddigon cyflym i olrhain matricsau traffig sy'n symud yn anrhagweladwy. Maent am i effeithlonrwydd pŵer gael ei fesur mewn picojoules fesul tipyn neu well. Maen nhw eisiau niferoedd dibynadwyedd sy'n caniatáu iddynt ddefnyddio ar raddfa fawr heb staff cynnal a chadw penodedig yn gwarchod pob switsh.

Mae switshis cylched optegol seiliedig ar MEMS gan gwmnïau fel Polatis wedi treiddio i rai cymwysiadau canolfan ddata. Mae'r amseroedd newid-milieiliadau-yn araf, ond ar gyfer llifau "eliffant" parhaus sy'n dominyddu lled band rhwng-clwstwr, mae ad-drefnu milieiliadau yn iawn. Nid ydych chi'n ceisio newid pecyn fesul-pecyn; rydych yn ceisio osgoi trosiad O-E-O uwchben ar gyfer symud data swmp.

Mae'r freuddwyd o newid pecynnau optegol is--microsecond yn parhau i fod yn freuddwyd. Mae problem yr awyren reoli yn unig yn frawychus. Heb glustogau optegol (nad ydynt yn bodoli'n ymarferol), ni allwch amsugno cynnen fel y mae switshis electronig yn ei wneud. Rhaid i'r amserlennu fod yn berffaith. Rhaid i'r cydamseru ar draws miloedd o weinyddion o bosibl fod yn dynn. Mae rhai grwpiau ymchwil wedi dangos 40 o systemau newid a rheoli nanosecond, ond mae cynhyrchu yn fater arall.

 

Acousto-Optics: A Detour

 

Dylwn sôn am switshis optig acousto oherwydd eu bod yn ymddangos o hyd mewn cyd-destunau ymchwil, ac oherwydd bod y ffiseg yn wirioneddol ddiddorol hyd yn oed os yw'r cymwysiadau'n parhau'n gyfyngedig.

Mae modulator acwsto{0}}optig yn defnyddio tonnau acwstig-tonnau acwstig arwyneb fel arfer yn cael eu lansio gan drawsddygiadurwyr rhyngddigidol-i greu gratio indecs plygiannol cyfnodol mewn defnydd. Mae golau yn diffractio oddi ar y gratio hwn. Rheoli'r don acwstig, rheoli'r golau.

Lithium niobate eto: cyplydd piezoelectrig cryf ar gyfer cynhyrchu acwstig effeithlon, cyfernodau ffotoelastig gweddus ar gyfer rhyngweithio â golau. Mae ymchwilwyr wedi dangos modulatyddion AO gyda chynhyrchion VπL (ffigwr teilyngdod ar gyfer effeithlonrwydd modiwleiddio) o dan 0.1 V·cm ar lwyfannau ffilm tenau.

Mae'r cyflymderau newid yn cael eu cyfyngu gan ymlediad acwstig-microsegondau, nid nano-eiliadau. Mae'r cymwysiadau'n tueddu tuag at ffotoneg RF, newid amledd, a chyfnewid Q laser yn hytrach na llwybro telathrebu. Ond er cyflawnrwydd, mae'r dechnoleg yn bodoli.

 

Y Cwestiwn Cyfuno

 

Dyma beth sy'n dod i fyny o hyd ym mhob trafodaeth ddifrifol am newid optegol: sut mae'n cyd-fynd â phopeth arall?

Mae switsh ar ei ben ei hun yn ddiwerth. Mae angen transceivers, amlblecwyr tonfedd, mwyhaduron, monitorau, electroneg rheoli. Po fwyaf o'r rhain y gallwch chi eu hintegreiddio i un sglodyn neu mewn un pecyn, gorau oll y daw economeg y system.

Mae gan ffotoneg silicon fantais. Mae ffowndrïau fel GlobalFoundries, TSMC, ac imec yn cynnig pecynnau dylunio prosesau. Mae modulatyddion, ffotosynwyryddion, hidlwyr tonfedd, a llwybro goddefol i gyd yn cydfodoli ar yr un platfform. Gallai ychwanegu actifadu MEMS i'r stac hwn-fel y mae sawl grŵp ymchwil yn ei wneud ar hyn o bryd-alluogi switshis sy'n integreiddio'n ddi-dor â gweddill y cylchedau ffotonig.

Mae Lithium niobate yn cymryd llwybr gwahanol. Gall y deunydd gynnwys modulatyddion electro-optig, dyfeisiau optig acwsto, elfennau optegol aflinol, a-tonnwysyddion colled isel i gyd ar un swbstrad. Gellir dadlau bod y blwch offer yn gyfoethocach na silicon. Ond mae'r ecosystem gweithgynhyrchu yn llai aeddfed.

III-Mae lled-ddargludyddion V (InP, GaAs) yn galluogi mwyhaduron optegol lled-ddargludyddion a laserau na all silicon eu paru. Gallai integreiddio heterogenaidd-bondio gwahanol ddeunyddiau gyda'i gilydd-gyfuno'r gorau o bob un. Neu efallai ei fod yn cyfuno heriau saernïo pob un.

Nid oes neb wedi cyfrifo'r fformiwla fuddugol eto.

 

Yr Asesiad Gonest

 

Mae newid optegol yn dechnoleg go iawn a ddefnyddir mewn rhwydweithiau real. Mae hefyd yn dechnoleg sydd wedi bod "bum mlynedd i ffwrdd" o drawsnewid popeth ers o leiaf ugain mlynedd.

Mae'r ffiseg yn gweithio. Mae'r peirianneg yn symud ymlaen. Mae'r economeg yn gwella. Ar gyfer rhai cymwysiadau -newid amddiffyniad, croes donfedd-cysylltu, ychwanegu ail-ffurfweddadwy-amlblecsio gollwng, profi awtomeiddio{6}}mae switshis optegol wedi sefydlu eu hunain fel y datrysiad cywir.

Am y weledigaeth fawreddog o newid pecynnau optegol yn dileu llwybryddion electronig yn gyfan gwbl? Erys yr heriau yn aruthrol. Cymhlethdod yr awyren reoli. Diffyg byffro optegol. Costau gweithgynhyrchu ar raddfa. Safoni ar draws gwerthwyr.

Cynnydd yn parhau. Mae papurau ymchwil yn ymddangos yn wythnosol. Mae busnesau newydd yn cael eu hariannu. Mae cwmnïau mawr yn caffael rhai bach. Nid yw'r angen sylfaenol-symud mwy o ddata gyda llai o egni-yn diflannu.

Efallai y tro hwn, bydd y pum mlynedd nesaf yn wahanol mewn gwirionedd.