Optilised lülitid: mis need on ja kuidas need töötavad

 

Telekommunikatsioonis, andmekeskustes ja üha enam kvantarvutite uuringutes esindavad optilised lülitid nii aastakümnete pikkuse juurutamise ajalooga küpset tehnoloogiat kui ka aktiivset piiri, kus teadlased jahivad endiselt jõudluse parandamist, mis tundus viis aastat tagasi võimatuna.

Lõhe "kontseptuaalselt sirgjoonelise" ja "tegelikult selle ehitamise" vahel on koht, kus asjad lähevad kalliks ja huvitavaks.

 

Miks vaeva näha valgusega?

 

Optilise ümberlülitamise juhtum taandub ühele masendavale kitsaskohale: O-E-O konversioon. Iga kord, kui optiline signaal tabab tavalist elektroonilist lülitit, tuleb see teisendada elektriliseks signaaliks, töödelda ja seejärel teisendada järgmise kiusegmendi footoniteks. See pole mitte ainult ebatõhus,{4}} vaid see muutub vastuvõetamatuks.

Kaasaegsel andmekeskuste liiklusel on vastik komme iga paari aasta tagant kahekordistuda. Elektroonilised lülitid löövad vastu seina. Energiatarve kaalub halvasti. SerDes (serializer/deserializer) ahelad toodavad soojust, mis nõuab agressiivset jahutamist. Ja seal on latentsus-iga O-E-O hop lisab töötlemisviivituse, mis koguneb mitme-tasandi võrguarhitektuuris.

Optiline lüliti hoiab seda kõike kõrvale. Valgus läheb sisse, valgus suunatakse ümber, valgus kustub. Konversiooni ei toimu. Pakendi kontrolli ei toimu. Puhverdamist ei toimu. Valguse latentsuse -kiirus- on sisuliselt levimise viivitus läbi lüliti enda, mis enamikul praktilistel eesmärkidel võib sama hästi olla null.

Kõlab täiuslikult. Miks siis kõik pole optiline?

 

Vahetusloomaaed

 

Siin läheb asi keeruliseks. Ühte "optilise lüliti" tehnoloogiat pole olemas. Seal on terve taksonoomia lähenemisviise, millest igaühel on erinevad kompromissid{2}}, mis on erinevate rakenduste jaoks mõistlikud. Peamised kategooriad:

 

Mehaanilised lülitidvalguse ümbersuunamiseks liigutage füüsiliselt optilisi elemente-peegleid, prismasid, kiuotsi-. Toores? Võib-olla. Kuid neid on kasutatud aastakümneid ja nad töötavad. Polatis (nüüd Huber+Suhneri osa) on loonud ettevõtte 3D-kiir{7}}roolilülititele, kasutades piesoelektrilisi ajamid. Need asjad on andmekeskuse standardite järgi aeglased, -millisekundites mõõdetud lülitusajad{10}}, kuid need on usaldusväärsed. Olen kuulnud lugusid täiturmehhanismide akumuleeritud tööeast, mis ületab{12}}väljakasutuses olevate üksuste puhul tõrgeteta miljard tundi. See pole kirjaviga.

MEMS lülitid(mikro-elektro-mehaanilised süsteemid) võtavad mehaanilise kontseptsiooni ja kahandavad seda dramaatiliselt. Fotolitograafia abil räni- või klaasalustele valmistatud pisikesed peeglid võivad kiirte ümbersuunamiseks kallutada. Lülituskiirused paranevad mikrosekunditeni. Sadamate arv võib ulatuda sadadesse. Kuid MEMS-i valmistamine on keeruline ja seadmed jäävad löögi- ja vibratsioonitundlikuks viisil, mis muudab juurutamise väljaspool kontrollitud keskkonda keeruliseks.

Termo{0}}optilised lülitidkasutada ära murdumisnäitaja temperatuuri sõltuvust ränilainejuhtides. Kuumutage osa lainejuhist õhukese-kile takistiga, muutke murdumisnäitaja, nihutage Mach-Zehnderi interferomeetris faasisuhet, suunake väljund ümber. Ränil on tugev termo-optiline koefitsient-umbes 1,8 × 10⁻⁴ K⁻¹-, mis muudab selle lähenemisviisi praktiliseks. Lülitusajad jäävad mikrosekundite{10}}kuni{11}}millisekundite vahemikku. Energiatarve on konks: need kütteseadmed vajavad oleku säilitamiseks pidevat voolu.

Elektro{0}}optilised lülitidvõib teoreetiliselt lülituda nanosekunditega. Ränil ei ole kasulikke lineaarseid elektro{1}}optilisi efekte, seega kasutate kas kandja süstimist (mis lisab kadu) või vaatate eksootilisi materjale, nagu liitiumniobaat. LiNbO₃ modulaatorid on olnud kasutusel juba enne minu sündi-Pockelsi rakud, Mach-Zehnderi modulaatorid, kogu kataloog. Õhukese-kile liitiumniobaat isolaatoril on praegu käes, poollaine pinged langevad ja integratsioonitihedus paraneb. Kuid CMOS-i ühilduvus on endiselt tabamatu.

 

Ja siis on veel eksootilisemad lähenemisviisid: vedelkristall, akusto{0}}optika, pooljuht-optilised võimendid väravatena, fotoonkristallid. Igal neist on niširakendused. Ükski pole muutunud universaalseks lahenduseks.

 

 

MEMS: tehnoloogia, mis hakkab peaaegu jõudma

 

Ränist fotooniline MEMS väärib omaette arutelu, sest see kujutab endast kõige lootustandvamat teed-suureulatusliku optilise ümberlülituse suunas ja ühtlasi ka üht kõige pettumust valmistavamat teed.

Kõrgus on veenev: tehke optilisi lüliteid, kasutades samu CMOS{0}}ühilduvaid protsesse, mis toodavad välja miljardeid transistore. Kasutage olemasolevat valukoja infrastruktuuri. Saavutage pooljuhtide tootmisega kaasnevad kulude vähendamised.

UC Berkeley teadlased näitasid mõni aasta tagasi, et tavapärastele 200 mm SOI-plaatidele saab ehitada fotoonilised MEMS-lülitid, kasutades tavalisi fotolitograafilisi ja kuivsöövitusprotsesse kaubanduslikes valukodades. Ei mingeid eksootilisi valmistamise etappe. Lülitid töötasid: 7,7 dB kiud-to-kiudude kadu, 30 nm optiline ribalaius umbes 1550 nm, lülitusajad 50 mikrosekundit.

Tehnilised tulemused olid kindlad. Väljakutseks jääb kõik muu.

MEMS-täiturmehhanismid vajavad suhteliselt kõrget ajamipinget-kümneid volte-, mis muudab juhtimiselektroonika keerulisemaks. Mehaanilised struktuurid tuleb vabastada all olevast oksiidikihist HF auruga söövitamise abil, mis muudab protsessi keerukamaks. Pakendamine muutub valusaks, kui tegemist on sadade optiliste portidega, mis vajavad kiudude massiividega täpset joondust. Ja siis on juhtimistasand: kuidas koordineerida ümberlülitamist 64 × 64 maatriksis ilma ajakava kitsaskohti tekitamata?

Rühm avaldas hiljuti töö jagatud lainejuhi ristumiste kohta, -põhimõtteliselt MEMS-käivitavad sidurid, kus lüliti toimib lainejuhi ristmiku kaks poolt füüsiliselt eraldades või ühendades. Nad demonstreerisid 64 × 64 Benesi lülitusmassiivi, millel oli märkimisväärselt madal läbirääkimine, ja läbisid selle miljard lülitustsüklit ilma jõudluse halvenemiseta. Muljetavaldav. Pole ikka veel tootmises.

 

Läbirääkimisprobleem Keegi ei taha rääkida

 

Siin on midagi, mis kipub turundusmaterjalides varju jääma: läbirääkimised kogunevad.

Väikeses lülitis-2 × 2, 4 × 4-risttalk võib olla –30 dB või parem. Vastuvõetav. Kuid suuremahulised lülituskangad kaskaadivad palju elementaarseid lülituselemente. 64 × 64 kangal võib olla valgus, mis läbib kümneid üksikuid lüliteid ja lainejuhi ristumiskohti. Igaüks neist lisab valesse väljundporti veidi hajuvat valgust.

Halvim{0}}stsenaarium ei ole see, et teie ohvrikanalisse lekib agressori signaal. See on N-1 ründaja, kes kõik panustavad samaaegselt sidusasse või ebajärjekindlasse läbirääkimisse. Selle testimine on õudusunenägu-peate valgustama kõik sisendpordid, välja arvatud üks, ja mõõtma, mis kuvatakse seal, kus see ei peaks olema. Enamik avaldatud tulemusi teatab ühe tee läbirääkimisest, mis on... optimistlik.

IBM-i ja mujal tegutsevad teadlased on töötanud ülimalt-madala-ristvarre kujunduse kallal, mis on viinud üksikutes lülitusrakkudes ekstinktsioonisuhted –60 dB-ni või kõrgemale. Teine küsimus on, kas need arvud jäävad ellu ka suurte kangastega, millel on tegelikud tootmisvariandid.

 

Termo{0}}Optika: tööhobune, keda keegi ei armasta

 

Termo{0}}optilised MZI-lülitid ei saa oma glamuuriga hakkama. Need on elektro-optikaga võrreldes aeglased. Võrreldes MEMS-iga põletavad nad energiat. Kuid need töötavad, integreeruvad puhtalt ränifotoonikaplatvormidega ja neid on demonstreeritud mastaapselt.

32 × 32 termo-optilise lüliti kangas pakiti ja iseloomustati mitu aastat tagasi umbes 1560 elektrilise I/O-pordiga, mida käsitletakse keraamilise BGA-juhtme{5}}liimimisega. See on palju juhtmeid. Soojusjuhtimine hõlmas CuW substraate ja termoelektrilisi jahuteid. Mitte elegantne, vaid funktsionaalne.

Energiatarve tuleb neil takistuslikest kütteseadmetest, mis vajavad pidevat voolu. Iga faasinihuti võib võtta millivatte. Korrutage suures riides sadade või tuhandete elementidega ja soojuseelarve muutub tõeliseks piiranguks. Mõned rühmad on uurinud rippuvaid lainejuhistruktuure, et parandada soojusisolatsiooni-vähem soojuse lekkimist aluspinnale tähendab kiiremat reageerimist ja väiksemat võimsust,-kuid mehaanilise hapruse hinnaga.

Rakenduste jaoks, mis taluvad mikrosekundiseid lülitusaegu ja taluvad termilist koormust, jääb termo{0}}optika pragmaatiliseks valikuks. Andmekeskuse ümberkonfigureerimine, lainepikkuse marsruutimine, testimine-ja-mõõtmine-ei vaja nende jaoks nanosekundilist ümberlülitamist.

 

 

Electro{0}}Optic Promise

 

Nanosekundiline ümberlülitamine avab juhtumeid, mida aeglasemad tehnoloogiad lihtsalt ei suuda lahendada. Pakett-pa-optiline pakettlülitus. Sarivõtte-režiim. Dünaamiline ribalaiuse eraldamine, mis jälgib rakenduste nõudlust reaalajas.

Räni siin ei aita. Selle elektro-optilised efektid on liiga nõrgad. Teil on vaja kas kandja-injection PIN dioode (mis töötavad, kuid lisavad kadu ja on piiratud kiirusega) või tõeliste Pockeli koefitsientidega materjale.

Liitiumniobaati on kasutatud{0}}aastakümneid. Elektro-optilised koefitsiendid on olulised-r₃₃ umbes 31 pm/V. Thorlabsi ja teiste kaubanduslikud LiNbO₃ modulaatorid töötavad sagedusel 40 GHz või rohkem. Probleemiks on alati olnud integratsioonitihedus. Liitiumniobaadi hulgiseadmed on sentimeetri-mõõtkavas. Lainejuhi laiused on mikroni{11}}skaalas ränis; nad on palju suuremad hajutatud LiNbO₃-s.

Õhuke-kile LiNbO₃ isolaatoril muudab arvutust. Teadlased demonstreerivad nüüd Mach-Zehnderi modulaatoreid, mille ribalaiused ületavad 100 GHz ja mille pool-lainepinge on alla 2 V. Jäljed vähenevad ränifotoonika saavutamise suunas. Looduslehti ilmub regulaarselt.

Probleemiks jääb integreerimine ülejäänud fotoonilise vooluringiga. LiNbO₃ ei kasva ränil. Heterogeenne integratsioon hõlmab sidumist, mis lisab kulusid ja keerukust. Õhukeste{3}}LiNbO₃-plaatide tarneahel on silikoonfotoonikaga võrreldes kujunemas.

Ikkagi. Kui vajate kiirust, siis siin osutab füüsika.

 

Mida andmekeskused tegelikult tahavad

 

Hüperskaalaritel on spetsiifilised nõuded, mis ei ole alati kooskõlas sellega, mida akadeemilised teadlased huvitavaks peavad.

Nad tahavad ühe pordi maksumust umbes 10 dollarit. Nad tahavad kaskaadlülitite arhitektuuride sisestuskadu alla 10 dB. Nad tahavad piisavalt kiireid ümberkonfigureerimiskiirusi, et jälgida liiklusmaatriksit, mis nihkuvad ettearvamatult. Nad tahavad energiatõhusust mõõdetuna pidžaulides biti kohta või paremat. Nad tahavad usaldusväärsust, mis võimaldab neil laialdaselt kasutusele võtta, ilma et iga lülitit hooldaks spetsiaalne hoolduspersonal.

MEMS{0}}-põhised optilise vooluahela lülitid ettevõtetelt nagu Polatis on tunginud mõnesse andmekeskuse rakendusse. Lülitusajad -millisekundid-on aeglased, kuid püsivate "elevantide" voogude jaoks, mis domineerivad-klastritevahelisel ribalaiusel, sobib millisekundite ümberseadistamine. Te ei proovi vahetada pakett-haaval-; proovite vältida O-E-O-konversiooni üldkulusid andmete hulgiliikumisel.

Unistus sub-mikrosekundilisest optilisest pakettvahetusest jääb enamasti-unistuseks. Ainuüksi juhttasandi probleem on hirmuäratav. Ilma optiliste puhvriteta (mida praktiliselt ei eksisteeri) ei saa te tülisid vastu võtta nii, nagu seda teevad elektroonilised lülitid. Ajakava peab olema täiuslik. Sünkroonimine potentsiaalselt tuhandete serverite vahel peab olema tihe. Mõned uurimisrühmad on demonstreerinud 40-nanosekundiseid lülitus--ja juhtimissüsteeme, kuid tootestamine on teine ​​teema.

 

Acousto{0}}Optika: ümbersõit

 

Peaksin mainima akusto{0}}optilisi lüliteid, kuna neid ilmub pidevalt uurimiskontekstis ja kuna füüsika on tõeliselt huvitav isegi siis, kui rakendusi on vähe.

Akusto-optiline modulaator kasutab materjalis perioodilise murdumisnäitaja võre loomiseks akustilisi laineid-tavaliselt pinnaakustilisi laineid, mille käivitavad interdigitaalsed muundurid-. Valgus hajub sellelt restilt. Kontrollige akustilist lainet, kontrollige valgust.

Jälle liitiumniobaat: tugev piesoelektriline side tõhusaks akustiliseks genereerimiseks, korralikud fotoelastsed koefitsiendid valgusega suhtlemiseks. Teadlased on näidanud õhukeste kilede platvormidel AO modulaatoreid, mille VπL tooted (modulatsiooni efektiivsuse väärtus) on alla 0,1 V·cm.

Lülituskiirusi piiravad akustilise levimise{0}}mikrosekundid, mitte nanosekundid. Rakendused kipuvad kasutama RF-fotoonikat, sageduse nihutamist ja laseriga Q{2}}lülitamist, mitte telekommunikatsiooni marsruutimist. Kuid täielikkuse huvides on tehnoloogia olemas.

 

Integratsiooni küsimus

 

Siin on see, mis tuleb igas tõsises arutelus optilise lülituse üle: kuidas see kõige muuga kokku sobib?

Lüliti iseenesest on kasutu. Vaja läheb transiivereid, lainepikkusega multipleksereid, võimendeid, monitore, juhtelektroonikat. Mida rohkem neist saate integreerida ühele kiibile või ühte paketti, seda paremaks muutub süsteemi ökonoomika.

Ränifotoonikul on edumaa. Valukojad nagu GlobalFoundries, TSMC ja imec pakuvad protsesside kujundamise komplekte. Modulaatorid, fotodetektorid, lainepikkuse filtrid ja passiivne marsruutimine eksisteerivad kõik samal platvormil. MEMS-i aktiveerimise lisamine sellele virnale,-mida praegu teevad mitmed uurimisrühmad,-võib lubada lülitid, mis integreeruvad sujuvalt ülejäänud fotoonilise vooluringiga.

Liitiumniobaat läheb teistmoodi. Materjal võib ühele substraadile paigutada elektro-optilisi modulaatoreid, akusto-optilisi seadmeid, mittelineaarseid optilisi elemente ja madala-kadudega lainejuhte. Tööriistakast on vaieldamatult rikkalikum kui räni. Kuid tootmise ökosüsteem on vähem küps.

III-V pooljuhid (InP, GaAs) võimaldavad pooljuhtoptilisi võimendeid ja lasereid, millele räni ei sobi. Heterogeenne integreerimine-erinevate materjalide ühendamine-võib kombineerida igaühe parimad omadused. Või võib see lihtsalt ühendada igaühe valmistamisprobleemid.

Keegi pole veel võiduvalemit välja mõelnud.

 

Aus hinnang

 

Optiline kommutatsioon on tõeline tehnoloogia, mida kasutatakse reaalsetes võrkudes. See on ka tehnoloogia, mis on olnud "viie aasta kaugusel" kõige muutmisest vähemalt kakskümmend aastat.

Füüsika töötab. Tehnika edeneb. Majandusseisund paraneb. Teatud rakenduste jaoks on-kaitselüliti, lainepikkuse rist-ühendused, ümberkonfigureeritav add-multipleksimine, testimise automatiseerimine-optilised lülitid end õige lahendusena tõestanud.

Suurejoonelisema visiooni jaoks optilise pakettkommuteerimise kohta, mis kaotaks täielikult elektroonilised ruuterid? Väljakutsed on endiselt tohutud. Juhttasandi keerukus. Optilise puhverduse puudumine. Tootmiskulud mastaabis. Standardiseerimine kõigi tarnijate vahel.

Edusammud jätkuvad. Uurimistööd ilmuvad kord nädalas. Iduettevõtteid rahastatakse. Suured ettevõtted omandavad väikseid. Peamine vajadus-liigutada rohkem andmeid väiksema energiakuluga-ei kao kuhugi.

Võib-olla on seekord järgmised viis aastat tõesti teistsugused.