سوئیچ های نوری: چه هستند و چگونه کار می کنند

 

در ارتباطات راه دور، مراکز داده و به طور فزاینده‌ای در تحقیقات محاسبات کوانتومی، سوئیچ‌های نوری هم یک فناوری بالغ با چندین دهه سابقه استقرار و هم مرزی فعال را نشان می‌دهند که در آن محققان هنوز به دنبال بهبود عملکرد هستند که پنج سال پیش غیرممکن به نظر می‌رسید.

شکاف بین "از لحاظ مفهومی ساده" و "در واقع ساختن یک" جایی است که همه چیز گران و جالب می شود.

 

چرا با نور زحمت بکشیم؟

 

مورد سوئیچینگ نوری به یک گلوگاه خسته کننده ختم می شود: تبدیل O-E-O. هر بار که یک سیگنال نوری به یک سوئیچ الکترونیکی معمولی برخورد می کند، باید به سیگنال الکتریکی تبدیل شود، پردازش شود، سپس دوباره به فوتون برای بخش فیبر بعدی تبدیل شود. این نه تنها ناکارآمد است-بلکه غیرقابل دفاع است.

ترافیک مرکز داده مدرن عادت بدی دارد که هر چند سال یکبار دو برابر می شود. سوئیچ های الکترونیکی به دیوار برخورد می کنند. مصرف برق ضعیف مقیاس می شود. مدارهای SerDes (Serializer/Deserializer) گرمایی تولید می کنند که نیاز به خنک کننده تهاجمی دارد. و تأخیر-هر O-E-O hop تأخیر پردازش را اضافه می‌کند که در معماری شبکه چند لایه جمع می‌شود.

یک سوئیچ نوری همه اینها را کنار می گذارد. نور وارد می شود، نور هدایت می شود، نور خاموش می شود. بدون تبدیل بدون بازرسی بسته بدون بافر سرعت تأخیر نور اساساً تأخیر انتشار در خود پارچه سوئیچ است که برای بیشتر اهداف عملی ممکن است صفر باشد.

برای تلفن های موبایل کامل است. پس چرا همه چیز نوری نیست؟

 

باغ وحش سوئیچینگ

 

اینجاست که قضیه پیچیده می شود. هیچ فناوری واحد "سوئیچ نوری" وجود ندارد. طبقه بندی کاملی از رویکردها وجود دارد که هرکدام دارای مبادلات- متفاوتی هستند که برای کاربردهای مختلف منطقی است. دسته بندی های عمده:

 

کلیدهای مکانیکیعناصر نوری -آینه‌ها، منشورها، انتهای فیبر-را برای تغییر جهت نور حرکت دهید. خام؟ شاید. اما آنها چندین دهه است که مستقر شده اند و کار می کنند. پولاتیس (اکنون بخشی از Huber+Suhner) با استفاده از محرک‌های پیزوالکتریک، کسب‌وکاری بر روی کلیدهای فرمان{7}}پرتو سه بعدی ایجاد کرده است. این موارد با استانداردهای مرکز داده کند هستند-زمان سوئیچینگ که در میلی ثانیه اندازه‌گیری می‌شود{10}}اما قابل اعتماد هستند. من داستان‌هایی از عمر انباشته محرک بیش از یک میلیارد ساعت در واحدهای{12}}در میدان مستقر شده بدون خرابی شنیده‌ام. این اشتباه تایپی نیست.

سوئیچ های MEMS(سیستم‌های میکرو-الکترو-مکانیکی) مفهوم مکانیکی را در نظر گرفته و آن را به‌طور چشمگیری کوچک می‌کنند. آینه‌های کوچکی که روی لایه‌های سیلیکونی یا شیشه‌ای با استفاده از فوتولیتوگرافی ساخته می‌شوند، می‌توانند برای تغییر جهت پرتوها کج شوند. سرعت سوئیچینگ به میکروثانیه بهبود می یابد. تعداد پورت ها می تواند به صدها نفر برسد. اما ساخت MEMS دشوار است و دستگاه‌ها به گونه‌ای که استقرار در خارج از محیط‌های کنترل‌شده را دشوار می‌کند، به شوک و لرزش حساس می‌مانند.

سوئیچ های حرارتی{0}بهره برداری از وابستگی دمایی ضریب شکست در موجبرهای سیلیکونی. قسمتی از موجبر را با یک مقاومت لایه نازک-گرم کنید، ضریب شکست را تغییر دهید، رابطه فاز را در یک تداخل سنج ماخ-زهندر تغییر دهید، خروجی را تغییر مسیر دهید. سیلیکون دارای ضریب حرارتی قوی-نوری-در حدود 1.8×10-4 K-1- است که این رویکرد را عملی می‌کند. زمان تغییر در محدوده میکروثانیه{10}}به{11}}میلی ثانیه است. مصرف برق مهم است: این بخاری ها برای حفظ وضعیت به جریان پیوسته نیاز دارند.

سوئیچ های{0}الکترو نوریاز نظر تئوری می تواند در نانوثانیه سوئیچ کند. سیلیکون اثرات الکترو{1}نوری خطی مفیدی ندارد، بنابراین شما یا از تزریق حامل (که تلفات را افزایش می دهد) استفاده می کنید یا به مواد عجیب و غریب مانند لیتیوم نیوبات نگاه می کنید. تعدیل‌کننده‌های LiNbO3 از قبل از تولد من وجود داشته است-سلول‌های Pockels، تعدیل‌کننده‌های Mach-Zehnder، کل کاتالوگ. نازک-لیتیوم نیوبات روی عایق در حال حاضر با نیمی از-افت ولتاژ موج و بهبود چگالی ادغام، لحظه‌ای را پشت سر می‌گذارد. اما سازگاری CMOS همچنان مبهم است.

 

و سپس رویکردهای عجیب‌تری وجود دارد: کریستال مایع، تقویت‌کننده‌های نوری آکوستو{0}نوری، نیمه هادی به عنوان دروازه، بلورهای فوتونی. هر کدام کاربردهای ویژه ای دارند. هیچ کدام به راه حل جهانی تبدیل نشده است.

 

 

MEMS: فناوری که تقریباً در حال ورود است

 

MEMS فوتونیک سیلیکونی شایستگی بحث خود را دارد زیرا نشان‌دهنده چیزی است که امیدوارکننده‌ترین مسیر برای سوئیچینگ نوری-در مقیاس بزرگ و همچنین یکی از ناامیدکننده‌ترین مسیرها است.

قدم قانع کننده است: سوئیچ های نوری را با استفاده از همان فرآیندهای سازگار با CMOS- که میلیاردها ترانزیستور تولید می کنند، بسازید. از زیرساخت های ریخته گری موجود استفاده کنید. دستیابی به کاهش هزینه که با مقیاس تولید نیمه هادی همراه است.

محققان دانشگاه برکلی چند سال پیش نشان دادند که می‌توانید سوئیچ‌های MEMS فوتونیکی را روی ویفرهای استاندارد SOI 200 میلی‌متری با استفاده از فرآیندهای فتولیتوگرافی معمولی و اچ کردن خشک- در ریخته‌گری‌های تجاری بسازید. بدون مراحل ساخت عجیب و غریب. سوئیچ ها کار کردند: فیبر 7.7 دسی بل-به-از دست دادن فیبر، پهنای باند نوری 30 نانومتری در حدود 1550 نانومتر، زمان سوئیچینگ 50 میکروثانیه.

نتایج فنی خوب بود. آنچه همچنان چالش برانگیز است، همه چیز دیگر است.

محرک‌های MEMS به ولتاژهای درایو نسبتاً بالا-ده‌ها ولت- نیاز دارند که الکترونیک کنترل را پیچیده می‌کند. ساختارهای مکانیکی باید از لایه اکسید زیرین با استفاده از اچینگ بخار HF آزاد شوند که این امر به پیچیدگی فرآیند می افزاید. وقتی با صدها پورت نوری که نیاز به تراز دقیق با آرایه های فیبر دارند، بسته بندی دردناک می شود. و سپس صفحه کنترل وجود دارد: چگونه می‌توانید جابجایی را در یک ماتریس 64×64 بدون ایجاد تنگناهای زمان‌بندی هماهنگ کنید؟

گروهی اخیراً کار بر روی تقاطع موجبرهای تقسیم‌شده منتشر کرده است-که اساساً MEMS- جفت‌کننده‌هایی را فعال می‌کنند که سوئیچ با جداسازی فیزیکی یا به هم پیوستن دو نیمه از یک گذرگاه موجبر عمل می‌کند. آنها یک آرایه سوئیچ Benes 64×64 را با تداخل بسیار کم نشان دادند و آن را در یک میلیارد چرخه سوئیچینگ بدون کاهش عملکرد اجرا کردند. چشمگیر. هنوز در حال تولید نیست.

 

مشکل Crosstalk هیچ کس نمی خواهد درباره آن صحبت کند

 

در اینجا چیزی است که تمایل دارد در مواد بازاریابی پنهان شود: تضادها انباشته می شوند.

در یک سوئیچ کوچک-2×2، 4×4-crosstalk ممکن است -30dB یا بهتر باشد. قابل قبول اما پارچه های سوئیچ در مقیاس بزرگ، بسیاری از عناصر کلیدی ابتدایی را آبشار می کنند. یک پارچه 64×64 ممکن است دارای نوری باشد که ده‌ها سوئیچ و گذرگاه موجبر را می‌گذراند. هر یک از آنها مقداری نور سرگردان را به درگاه خروجی اشتباه وارد می کند.

بدترین حالت{0}}نشت یک سیگنال متجاوز به کانال قربانی شما نیست. این N-1 متجاوز است که همه به طور همزمان در گفتگوهای منسجم یا نامنسجم مشارکت دارند. آزمایش برای این یک کابوس است-شما باید همه درگاه‌های ورودی را به جز یکی روشن کنید و اندازه‌گیری کنید که چه چیزی در جایی که نباید نشان داده می‌شود. بیشتر نتایج منتشر شده، تداخل تک مسیری را گزارش می دهند که خوش بینانه است.

محققان در IBM و جاهای دیگر روی طرح‌های متقاطع بسیار-کم{{1} کار کرده‌اند و نسبت انقراض را به -۶۰ دسی‌بل یا بهتر در سلول‌های سوئیچینگ منفرد رسانده‌اند. این که آیا این اعداد در مقیاس بندی پارچه های بزرگ با تغییرات تولید واقعی باقی می مانند یا خیر، سوال دیگری است.

 

ترمو-اپتیک: اسب کاری که هیچ کس دوست ندارد

 

سوئیچ های ترمو{0}}نوری MZI جذابیتی ندارند. آنها در مقایسه با الکترو{2}}نوری کند هستند. آنها در مقایسه با MEMS انرژی می سوزانند. اما آنها کار می کنند، آنها به طور تمیز با سیستم عامل های فوتونیک سیلیکونی ادغام می شوند، و در مقیاس نشان داده شده اند.

پارچه سوئیچ حرارتی 32×32 چند سال پیش با چیزی حدود 1560 پورت ورودی/خروجی الکتریکی که از طریق سیم-سرامیکی BGA استفاده می‌شد، بسته‌بندی و مشخص شد. این تعداد زیادی سیم است. مدیریت حرارتی شامل بسترهای CuW و خنک کننده های ترموالکتریک بود. ظریف نیست، اما کاربردی است.

مصرف برق از آن دسته از گرمکن های مقاومتی که به جریان پیوسته نیاز دارند، می آید. هر شیفتر فاز ممکن است میلی وات بکشد. در یک پارچه بزرگ در صدها یا هزاران عنصر ضرب کنید و بودجه حرارتی به یک محدودیت واقعی تبدیل می شود. برخی از گروه‌ها ساختارهای موجبر معلق را برای بهبود عایق حرارتی بررسی کرده‌اند-نشت گرمای کمتر به زیرلایه به معنای پاسخ سریع‌تر و توان کمتر-اما به قیمت شکنندگی مکانیکی است.

برای برنامه هایی که می توانند زمان سوئیچینگ میکروثانیه را تحمل کنند و می توانند بار حرارتی را تحمل کنند، ترمو{0}}نوری انتخاب عملی باقی می ماند. پیکربندی مجدد مرکز داده، مسیریابی طول موج، آزمایش-و{3}}اندازه‌گیری-هیچ‌کس به سوئیچینگ نانوثانیه برای این موارد نیاز ندارد.

 

 

Electro{0}}Optic Promise

 

قفل‌های سوئیچینگ نانوثانیه از مواردی استفاده می‌کنند که فناوری‌های کندتر به سادگی نمی‌توانند آن‌ها را برطرف کنند. بسته-توسط-سوئیچینگ نوری بسته. عملکرد حالت انفجاری{4}}. تخصیص پهنای باند پویا که تقاضای برنامه را در زمان واقعی ردیابی می کند.

سیلیکون در اینجا کمکی نمی کند. اثرات الکترو{1}} نوری آن بسیار ضعیف است. شما به دیودهای پین تزریق{3} حامل (که کار می‌کنند اما تلفات بیشتری دارند و سرعت محدودی دارند) یا موادی با ضرایب Pockels واقعی نیاز دارید.

لیتیوم نیوبات برای چندین دهه-مورد استفاده بوده است. ضرایب الکترو{2}}نوری-r33 قابل توجهی در حدود 31 pm/V است. تعدیل کننده های تجاری LiNbO3 از Thorlabs و سایرین تا 40 گیگاهرتز یا بیشتر کار می کنند. مشکل همیشه تراکم یکپارچه سازی بوده است. دستگاه های لیتیوم نیوبات انبوه دارای مقیاس- سانتی متری هستند. عرض موجبر در مقیاس میکرونی{11}}در سیلیکون است. آنها در LiNbO3 منتشر شده بسیار بزرگتر هستند.

لایه نازک-LiNbO3 روی عایق، حساب را تغییر می‌دهد. محققان اکنون در حال نمایش مدولاتورهای Mach-Zehnder با پهنای باند بیش از 100 گیگاهرتز و نیم{4}}ولتاژ موج زیر 2 ولت هستند. ردپاها به سمت آنچه فوتونیک سیلیکونی به دست می آورد، کوچک می شود. مقالات طبیعت با قاعده ظاهر می شوند.

یکپارچگی با بقیه مدارهای فوتونیک همچنان مشکل است. LiNbO3 روی سیلیکون رشد نمی کند. ادغام ناهمگن شامل پیوند است که هزینه و پیچیدگی را اضافه می کند. زنجیره تامین برای ویفرهای نازک LiNbO3 در مقایسه با فوتونیک سیلیکونی نوپا است.

هنوز اگر به سرعت نیاز دارید، این جایی است که فیزیک به آن اشاره می کند.

 

آنچه مراکز داده در واقع می خواهند

 

فرامقیاس کننده ها الزامات خاصی دارند که همیشه با آنچه محققان دانشگاهی جالب می دانند مطابقت ندارد.

آنها هزینه هر پورت را حدود 10 دلار می خواهند. آن‌ها برای معماری‌های سوئیچ آبشاری از دست دادن درج زیر 10 دسی‌بل می‌خواهند. آنها سرعت پیکربندی مجدد را به اندازه کافی سریع می خواهند تا ماتریس های ترافیکی را که به طور غیرقابل پیش بینی تغییر می کنند ردیابی کنند. آن‌ها می‌خواهند راندمان انرژی بر حسب پیکوژول در هر بیت یا بهتر اندازه‌گیری شود. آنها اعداد قابل اعتمادی را می خواهند که به آنها اجازه دهد بدون اینکه کارکنان تعمیر و نگهداری اختصاصی از هر سوئیچ نگهداری کنند، در مقیاس به کار گیرند.

سوئیچ‌های مدار نوری مبتنی بر MEMS{0}}از شرکت‌هایی مانند Polatis به برخی از برنامه‌های مرکز داده نفوذ کرده‌اند. زمان‌های سوئیچینگ-میلی‌ثانیه-آهسته است، اما برای جریان‌های دائمی "فیل" که بر پهنای باند بین{4}}خوشه‌ای غالب است، پیکربندی مجدد میلی‌ثانیه خوب است. شما سعی نمی‌کنید بسته-به-بسته را تغییر دهید. شما در حال تلاش برای جلوگیری از سربار تبدیل O{-E-O برای انتقال داده های انبوه هستید.

رویای جابجایی بسته‌های نوری زیر{0}میکروثانیه‌ای بیشتر یک رویا باقی می‌ماند. مشکل هواپیمای کنترل به تنهایی دلهره آور است. بدون بافرهای نوری (که عملا وجود ندارند)، نمی توانید به روشی که سوئیچ های الکترونیکی انجام می دهند، اختلاف را جذب کنید. برنامه ریزی باید کامل باشد. همگام سازی در بین هزاران سرور بالقوه باید سخت باشد. برخی از گروه‌های تحقیقاتی سیستم‌های سوئیچینگ و کنترلی 40-نان ثانیه‌ای-را نشان داده‌اند، اما تولید موضوع دیگری است.

 

آکوستو{0}}اپتیک: یک انحراف

 

من باید به سوئیچ‌های اپتیک{0}آکوستو اشاره کنم، زیرا آنها همچنان در زمینه‌های تحقیقاتی ظاهر می‌شوند، و به این دلیل که فیزیک واقعاً جالب است حتی اگر برنامه‌ها محدود باشند.

یک مدولاتور آکوستو{0}}از امواج صوتی استفاده می‌کند-معمولاً از امواج صوتی سطحی که توسط مبدل‌های بین دیجیتالی پرتاب می‌شوند-برای ایجاد یک توری ضریب شکست دوره‌ای در یک ماده. نور از این توری پراکنده می شود. موج صوتی را کنترل کنید، نور را کنترل کنید.

لیتیوم نیوبات دوباره: جفت پیزوالکتریک قوی برای تولید آکوستیک کارآمد، ضرایب فوتوالاستیک مناسب برای برهمکنش با نور. محققان تعدیل‌کننده‌های AO را با محصولات VπL (شکل شایستگی برای بازده مدولاسیون) زیر 0.1 V·cm بر روی پلت‌فرم‌های نازک{2}} فیلم نشان داده‌اند.

سرعت سوئیچینگ توسط انتشار صوتی-میکروثانیه، نه نانوثانیه، محدود می‌شود. این برنامه ها به جای مسیریابی مخابراتی، به سمت فوتونیک RF، تغییر فرکانس و سوئیچینگ لیزری Q{2}} گرایش دارند. اما برای کامل بودن، تکنولوژی وجود دارد.

 

سوال ادغام

 

در اینجا چیزی است که در هر بحث جدی در مورد سوئیچینگ نوری مطرح می شود: چگونه با هر چیز دیگری مطابقت دارد؟

سوئیچ به خودی خود بی فایده است. شما به فرستنده گیرنده، مالتی پلکسرهای طول موج، تقویت کننده، مانیتور، الکترونیک کنترل نیاز دارید. هرچه تعداد بیشتری از این موارد را در یک تراشه یا یک بسته واحد ادغام کنید، اقتصاد سیستم بهتر می شود.

فوتونیک سیلیکون دارای یک شروع اولیه است. ریخته‌گری‌هایی مانند GlobalFoundries، TSMC و imec کیت‌های طراحی فرآیند را ارائه می‌کنند. تعدیل‌کننده‌ها، آشکارسازهای نوری، فیلترهای طول موج و مسیریابی غیرفعال همگی در یک پلتفرم وجود دارند. افزودن تحریک MEMS به این پشته-همانطور که چندین گروه تحقیقاتی اکنون انجام می‌دهند-می‌تواند سوئیچ‌هایی را فعال کند که به طور یکپارچه با بقیه مدارهای فوتونی ادغام شوند.

لیتیوم نیوبات مسیر متفاوتی را طی می کند. این ماده می‌تواند میزبان الکترو{1}}مدولاتورهای نوری، دستگاه‌های آکوستو{2}}نوری، عناصر نوری غیرخطی و موجبرهای با تلفات کم-همه بر روی یک بستر باشد. جعبه ابزار بدون شک غنی تر از سیلیکون است. اما اکوسیستم تولیدی کمتر بالغ است.

نیمه هادی های III{0}V (InP، GaAs) تقویت کننده های نوری نیمه هادی و لیزرهایی را فعال می کنند که سیلیکون نمی تواند با آنها مطابقت داشته باشد. ادغام ناهمگن-پیوند مواد مختلف به یکدیگر-ممکن است بهترین های هر کدام را ترکیب کند. یا ممکن است فقط چالش های ساخت هر کدام را ترکیب کند.

هیچ کس هنوز فرمول برنده را کشف نکرده است.

 

ارزیابی صادقانه

 

سوئیچینگ نوری یک فناوری واقعی است که در شبکه های واقعی مستقر شده است. همچنین این فناوری است که حداقل بیست سال است که «پنج سال» با تغییر همه چیز فاصله داشته است.

فیزیک کار می کند. مهندسی در حال پیشرفت است. اقتصاد در حال بهبود است. برای برنامه‌های خاص، سوئیچ‌های نوری، سوئیچ‌های نوری{3}}سوئیچینگ حفاظتی، اتصالات متقاطع طول موج-تنظیم مجدد-مولتی پلکس کردن، اتوماسیون آزمایشی{6}}قابل تنظیم مجدد، خود را به عنوان راه‌حل مناسب معرفی کرده‌اند.

برای چشم انداز بزرگ تر سوئیچینگ بسته های نوری که مسیریاب های الکترونیکی را به طور کامل حذف می کند؟ چالش ها همچنان هولناک هستند. کنترل پیچیدگی هواپیما عدم وجود بافر نوری هزینه های تولید در مقیاس استانداردسازی در بین فروشندگان

پیشرفت ادامه دارد. مقالات پژوهشی به صورت هفتگی منتشر می شوند. استارت آپ ها تامین مالی می شوند. شرکت های بزرگ شرکت های کوچک را خریداری می کنند. نیاز اساسی -انتقال داده‌های بیشتر با انرژی کمتر-از بین نمی‌رود.

شاید این بار، پنج سال آینده واقعاً متفاوت باشد.