Sakelar Optik: Apa Itu dan Cara Kerjanya

 

Di bidang telekomunikasi, pusat data, dan semakin banyak penelitian komputasi kuantum, saklar optik mewakili teknologi matang dengan sejarah penerapan selama beberapa dekade dan batas aktif di mana para peneliti masih mengejar peningkatan kinerja yang tampaknya mustahil lima tahun lalu.

Kesenjangan antara "secara konseptual sederhana" dan "benar-benar membangunnya" adalah hal-hal yang menjadi mahal dan menarik.

 

Mengapa Repot dengan Cahaya?

 

Permasalahan peralihan optik berujung pada satu hambatan yang membuat frustrasi: konversi O-E-O. Setiap kali sinyal optik mengenai saklar elektronik konvensional, sinyal tersebut harus diubah menjadi sinyal listrik, diproses, kemudian diubah kembali menjadi foton untuk segmen serat berikutnya. Hal ini bukan hanya tidak efisien-tetapi juga menjadi tidak dapat dipertahankan.

Lalu lintas pusat data modern memiliki kebiasaan buruk yang meningkat dua kali lipat setiap beberapa tahun. Sakelar elektronik membentur dinding. Konsumsi daya berskala buruk. Sirkuit SerDes (serializer/deserializer) menghasilkan panas yang memerlukan pendinginan agresif. Dan terdapat latensi-setiap hop O-E-O yang menambah penundaan pemrosesan yang terakumulasi di seluruh-arsitektur jaringan multitingkat.

Sakelar optik menghindari semua ini. Lampu masuk, lampu dialihkan, lampu padam. Tidak ada konversi. Tidak ada pemeriksaan paket. Tidak ada penyanggaan. Kecepatan-latensi-cahaya pada dasarnya adalah penundaan propagasi melalui switch fabric itu sendiri, yang untuk sebagian besar tujuan praktis mungkin sama dengan nol.

Kedengarannya sempurna. Jadi mengapa tidak semuanya bersifat optik?

 

Kebun Binatang Peralihan

 

Di sinilah segalanya menjadi rumit. Tidak ada satu pun teknologi "saklar optik". Ada banyak taksonomi pendekatan, masing-masing memiliki-keuntungan berbeda yang masuk akal untuk aplikasi berbeda. Kategori utama:

 

Sakelar mekanismemindahkan elemen optik secara fisik-cermin, prisma, ujung serat-untuk mengalihkan cahaya. Mentah? Mungkin. Namun mereka telah digunakan selama beberapa dekade dan berhasil. Polatis (sekarang bagian dari Huber+Suhner) telah membangun bisnis pada saklar kemudi pancaran 3D-menggunakan aktuator piezoelektrik. Hal-hal ini lambat menurut standar pusat data-waktu peralihan diukur dalam milidetik-tetapi dapat diandalkan. Saya pernah mendengar cerita tentang akumulasi masa pakai aktuator yang melebihi satu miliar jam di seluruh unit-yang dikerahkan di lapangan tanpa kegagalan. Itu bukan salah ketik.

saklar MEMS(sistem mikro-elektro-mekanis) mengambil konsep mekanis dan mengecilkannya secara drastis. Cermin kecil yang dibuat pada substrat silikon atau kaca menggunakan fotolitografi dapat dimiringkan untuk mengarahkan sinar. Kecepatan peralihan meningkat hingga mikrodetik. Jumlah pelabuhan bisa mencapai ratusan. Namun fabrikasi MEMS cukup rumit, dan perangkat tetap sensitif terhadap guncangan dan getaran sehingga membuat penerapan di luar lingkungan terkendali menjadi rumit.

Sakelar termo-optikmemanfaatkan ketergantungan suhu indeks bias dalam pandu gelombang silikon. Panaskan bagian pandu gelombang dengan resistor film-tipis, ubah indeks bias, geser hubungan fasa dalam interferometer Mach-Zehnder, arahkan keluarannya. Silikon memiliki koefisien termo-optik-yang kuat sekitar 1,8×10⁻⁴ K⁻¹-yang membuat pendekatan ini praktis. Waktu peralihan berada dalam rentang mikrodetik-hingga-milidetik. Konsumsi daya adalah masalahnya: pemanas tersebut membutuhkan arus terus menerus untuk mempertahankan keadaan.

Sakelar elektro-optiksecara teoritis dapat beralih dalam nanodetik. Silikon tidak memiliki efek elektro-optik linier yang berguna, jadi Anda bisa menggunakan injeksi pembawa (yang menambah kerugian) atau mencari bahan eksotik seperti litium niobate. Modulator LiNbO₃ telah ada sejak sebelum saya lahir-Sel Pockels, modulator Mach-Zehnder, seluruh katalog. Litium niobate film tipis-pada isolator sedang mengalami momen saat ini, dengan penurunan tegangan setengah-gelombang dan peningkatan kepadatan integrasi. Namun kompatibilitas CMOS masih sulit dipahami.

 

Lalu ada pendekatan yang lebih eksotik: kristal cair, optik akustik, penguat optik semikonduktor sebagai gerbang, kristal fotonik. Masing-masing memiliki aplikasi khusus. Tidak ada yang menjadi solusi universal.

 

 

MEMS: Teknologi yang Hampir Tiba

 

MEMS fotonik silikon layak untuk didiskusikan karena mewakili jalur paling menjanjikan menuju peralihan optik{0}}skala besar, dan juga salah satu yang paling membuat frustrasi.

Presentasinya menarik: membuat saklar optik menggunakan proses yang kompatibel dengan CMOS-yang menghasilkan miliaran transistor. Memanfaatkan infrastruktur pengecoran yang ada. Mencapai pengurangan biaya yang menyertai skala manufaktur semikonduktor.

Peneliti UC Berkeley mendemonstrasikan beberapa tahun yang lalu bahwa Anda dapat membuat saklar MEMS fotonik pada wafer SOI standar 200 mm menggunakan proses fotolitografik dan-pengetsaan kering di pabrik pengecoran logam komersial. Tidak ada langkah fabrikasi yang eksotik. Sakelar berfungsi: kehilangan serat-ke-serat 7,7 dB, bandwidth optik 30nm sekitar 1550nm, waktu peralihan 50 mikrodetik.

Hasil teknisnya solid. Yang masih menjadi tantangan adalah hal lainnya.

Aktuator MEMS memerlukan tegangan penggerak yang relatif tinggi-puluhan volt-yang menyulitkan kontrol elektronik. Struktur mekanis harus dilepaskan dari lapisan oksida di bawahnya menggunakan etsa uap HF, yang menambah kompleksitas proses. Pengemasan menjadi sulit ketika Anda berurusan dengan ratusan port optik yang memerlukan penyelarasan presisi ke susunan serat. Lalu ada bidang kendali: bagaimana Anda mengoordinasikan peralihan melintasi matriks 64×64 tanpa menimbulkan hambatan penjadwalan?

Sebuah kelompok baru-baru ini menerbitkan karya tentang penyeberangan pandu gelombang terpisah-yang pada dasarnya adalah MEMS-skrup yang digerakkan di mana saklar beroperasi dengan memisahkan atau menggabungkan dua bagian perlintasan pandu gelombang secara fisik. Mereka mendemonstrasikan rangkaian switch 64×64 Benes dengan crosstalk yang sangat rendah dan menjalankannya melalui satu miliar siklus peralihan tanpa penurunan kinerja. Menakjubkan. Masih belum dalam produksi.

 

Masalah Crosstalk yang Tidak Ingin Dibicarakan Siapa Pun

 

Inilah sesuatu yang cenderung diabaikan dalam materi pemasaran: crosstalk terakumulasi.

Pada saklar kecil-2×2, 4×4-crosstalk mungkin -30dB atau lebih baik. Dapat diterima. Namun jaringan saklar skala besar mengalirkan banyak elemen saklar dasar. Kain 64×64 mungkin memiliki cahaya yang melintasi lusinan sakelar individu dan penyeberangan pandu gelombang. Masing-masing menyumbangkan sedikit cahaya nyasar ke port keluaran yang salah.

Skenario{0}}terburuknya adalah tidak ada sinyal agresor yang bocor ke saluran korban Anda. Ada N-1 agresor yang semuanya berkontribusi crosstalk yang koheren atau tidak koheren secara bersamaan. Menguji hal ini adalah mimpi buruk-Anda harus menerangi semua port masukan kecuali satu dan mengukur apa yang muncul di tempat yang tidak seharusnya. Sebagian besar hasil yang dipublikasikan melaporkan crosstalk jalur tunggal, yang... optimis.

Para peneliti di IBM dan tempat lain telah mengerjakan desain crosstalk yang sangat{0}}rendah-, mendorong rasio pemadaman hingga -60dB atau lebih baik pada sel peralihan individual. Apakah angka-angka tersebut dapat bertahan jika diterapkan pada kain besar dengan variasi produksi nyata adalah pertanyaan lain.

 

Termo-Optik: Pekerja Keras yang Tidak Disukai Siapa Pun

 

Sakelar MZI termo-optik tidak menarik. Mereka lambat dibandingkan dengan elektro-optik. Mereka membakar tenaga dibandingkan dengan MEMS. Namun cara-cara tersebut berhasil, terintegrasi dengan baik dengan platform fotonik silikon, dan telah dibuktikan dalam skala besar.

Bahan saklar optik termo-32×32 dikemas dan dikarakterisasi beberapa tahun yang lalu dengan sekitar 1.560 port I/O listrik yang ditangani melalui ikatan kawat-BGA keramik. Itu banyak sekali kabelnya. Manajemen termal melibatkan substrat CuW dan pendingin termoelektrik. Tidak elegan, tapi fungsional.

Konsumsi daya berasal dari pemanas resistif yang membutuhkan arus kontinu. Setiap pengalih fasa mungkin menarik miliwatt. Kalikan dengan ratusan atau ribuan elemen dalam satu kain besar dan anggaran termal menjadi kendala nyata. Beberapa kelompok telah mengeksplorasi struktur pandu gelombang yang ditangguhkan untuk meningkatkan isolasi termal-lebih sedikit panas yang bocor ke substrat berarti respons lebih cepat dan daya lebih rendah-tetapi mengorbankan kerapuhan mekanis.

Untuk aplikasi yang dapat mentolerir waktu peralihan mikrodetik dan dapat menangani beban termal, termo-optik tetap menjadi pilihan pragmatis. Konfigurasi ulang pusat data, perutean panjang gelombang,-pengujian-pengukuran-tidak ada yang memerlukan peralihan nanodetik untuk melakukan hal ini.

 

 

Janji Elektro-Optik

 

Peralihan nanodetik membuka kasus penggunaan yang tidak dapat diatasi oleh teknologi yang lebih lambat. Paket-menurut-peralihan optik paket. Operasi mode-beruntun. Alokasi bandwidth dinamis yang melacak permintaan aplikasi secara real time.

Silikon tidak membantu di sini. Efek elektro-optiknya terlalu lemah. Anda memerlukan dioda PIN injeksi pembawa (yang berfungsi tetapi menambah kerugian dan memiliki kecepatan terbatas) atau bahan dengan koefisien Pockels nyata.

Lithium niobate telah menjadi{0}}pilihan selama beberapa dekade. Koefisien elektro-optik sangat besar-r₃₃ sekitar 31 pm/V. Modulator LiNbO₃ komersial dari Thorlabs dan lainnya beroperasi hingga 40GHz atau lebih. Masalahnya selalu pada kepadatan integrasi. Perangkat lithium niobate massal berukuran-sentimeter. Lebar pandu gelombang berukuran mikron{11}}dalam silikon; mereka jauh lebih besar pada LiNbO₃ yang tersebar.

Film-tipis LiNbO₃ pada isolator mengubah kalkulus. Para peneliti kini mendemonstrasikan modulator Mach-Zehnder dengan bandwidth melebihi 100GHz dan tegangan setengah-gelombang di bawah 2V. Jejaknya semakin menyusut dibandingkan dengan apa yang dicapai oleh fotonik silikon. Makalah alam bermunculan secara teratur.

Integrasi dengan rangkaian fotonik lainnya masih menjadi masalah. LiNbO₃ tidak tumbuh pada silikon. Integrasi heterogen melibatkan ikatan, yang menambah biaya dan kompleksitas. Rantai pasokan untuk wafer film tipis LiNbO₃ masih baru dibandingkan dengan fotonik silikon.

Tetap. Jika Anda membutuhkan kecepatan, di sinilah poin fisika.

 

Apa yang Sebenarnya Diinginkan Pusat Data

 

Para hyperscaler memiliki persyaratan khusus yang tidak selalu sejalan dengan apa yang dianggap menarik oleh para peneliti akademis.

Mereka menginginkan biaya per port sekitar $10. Mereka menginginkan insertion loss di bawah 10dB untuk arsitektur cascaded switch. Mereka menginginkan kecepatan konfigurasi ulang yang cukup cepat untuk melacak matriks lalu lintas yang berubah secara tidak terduga. Mereka ingin efisiensi daya diukur dalam pikojoule per bit atau lebih baik. Mereka menginginkan angka keandalan yang memungkinkan mereka diterapkan dalam skala besar tanpa staf pemeliharaan khusus yang mengawasi setiap saklar.

Sakelar sirkuit optik berbasis MEMS-dari perusahaan seperti Polatis telah menembus beberapa aplikasi pusat data. Waktu peralihan-milidetik-lambat, namun untuk aliran "gajah" persisten yang mendominasi bandwidth antar-kluster, konfigurasi ulang milidetik dapat dilakukan. Anda tidak mencoba berpindah paket-demi-paket; Anda mencoba menghindari overhead konversi O-E-O untuk perpindahan data massal.

Impian peralihan paket optik sub-mikrodetik sebagian besar masih berupa-mimpi. Masalah bidang kendali saja sudah menakutkan. Tanpa buffer optik (yang sebenarnya tidak ada), Anda tidak dapat menyerap perselisihan seperti yang dilakukan saklar elektronik. Penjadwalan harus sempurna. Sinkronisasi di ribuan server harus ketat. Beberapa kelompok penelitian telah mendemonstrasikan sistem peralihan dan kontrol 40-nanodetik-, namun produksi adalah masalah lain.

 

Acousto-Optik: Jalan Memutar

 

Saya harus menyebutkan saklar akustik-optik karena saklar ini terus muncul dalam konteks penelitian, dan karena fisikanya benar-benar menarik meskipun penerapannya masih terbatas.

Modulator akustik-optik menggunakan gelombang akustik-biasanya gelombang akustik permukaan yang diluncurkan oleh transduser interdigital-untuk membuat kisi indeks bias periodik dalam suatu material. Cahaya difraksi dari kisi ini. Kendalikan gelombang akustik, kendalikan cahaya.

Lithium niobate lagi: kopling piezoelektrik yang kuat untuk pembangkitan akustik yang efisien, koefisien fotoelastik yang layak untuk interaksi dengan cahaya. Para peneliti telah mendemonstrasikan modulator AO dengan produk VπL (angka kelayakan untuk efisiensi modulasi) di bawah 0,1 V·cm pada platform film-tipis.

Kecepatan peralihan dibatasi oleh propagasi akustik-mikrodetik, bukan nanodetik. Aplikasinya cenderung ke arah fotonik RF, pergeseran frekuensi, dan peralihan Q-laser daripada perutean telekomunikasi. Namun untuk kelengkapannya, teknologinya ada.

 

Pertanyaan Integrasi

 

Inilah yang terus muncul dalam setiap diskusi serius tentang peralihan optik: bagaimana kesesuaiannya dengan hal lainnya?

Peralihan saja tidak ada gunanya. Anda memerlukan transceiver, multiplexer panjang gelombang, amplifier, monitor, kontrol elektronik. Semakin banyak yang dapat Anda integrasikan ke dalam satu chip atau ke dalam satu paket, semakin baik pula keekonomian sistemnya.

Fotonik silikon memiliki keunggulan. Pabrik pengecoran seperti GlobalFoundries, TSMC, dan imec menawarkan kit desain proses. Modulator, fotodetektor, filter panjang gelombang, dan perutean pasif semuanya hidup berdampingan di platform yang sama. Menambahkan aktuasi MEMS ke tumpukan ini-seperti yang dilakukan beberapa kelompok penelitian-dapat mengaktifkan sakelar yang berintegrasi secara mulus dengan sirkuit fotonik lainnya.

Lithium niobate mengambil jalan yang berbeda. Materi tersebut dapat menampung modulator elektro-optik, perangkat akustik-optik, elemen optik nonlinier, dan pandu gelombang-rugi rendah, semuanya dalam satu substrat. Kotak peralatannya bisa dibilang lebih kaya daripada silikon. Namun ekosistem manufakturnya kurang matang.

III-Semikonduktor V (InP, GaAs) mengaktifkan amplifier optik semikonduktor dan laser yang tidak dapat ditandingi oleh silikon. Integrasi heterogen-mengikat bahan-bahan yang berbeda menjadi satu-dapat menggabungkan yang terbaik dari masing-masing bahan. Atau mungkin saja menggabungkan tantangan fabrikasi masing-masing.

Belum ada yang menemukan formula kemenangannya.

 

Penilaian yang Jujur

 

Peralihan optik adalah teknologi nyata yang diterapkan dalam jaringan nyata. Ini juga merupakan teknologi yang “lima tahun lagi” akan mengubah segalanya setidaknya selama dua puluh tahun.

Fisikanya berhasil. Rekayasanya semakin maju. Perekonomian membaik. Untuk aplikasi tertentu-peralihan proteksi, koneksi silang-panjang gelombang, add-on-multiplexing drop yang dapat dikonfigurasi ulang, otomatisasi pengujian-saklar optik telah terbukti sebagai solusi yang tepat.

Untuk visi yang lebih besar dari peralihan paket optik yang menghilangkan router elektronik sepenuhnya? Tantangannya masih berat. Kompleksitas bidang kendali. Kurangnya buffering optik. Biaya produksi dalam skala besar. Standardisasi lintas vendor.

Kemajuan terus berlanjut. Makalah penelitian muncul setiap minggu. Startup mendapatkan pendanaan. Perusahaan-perusahaan besar mengakuisisi perusahaan-perusahaan kecil. Kebutuhan mendasar-memindahkan lebih banyak data dengan lebih sedikit energi-tidak akan hilang.

Mungkin kali ini, lima tahun ke depan akan sangat berbeda.