광 스위치: 정의 및 작동 방식

 

통신, 데이터 센터 및 점차 증가하는 양자 컴퓨팅 연구에서 광 스위치는 수십 년의 배포 역사를 지닌 성숙한 기술이자 연구자들이 5년 전에는 불가능해 보였던 성능 개선을 여전히 추구하는 활발한 개척지를 나타냅니다.

"개념적으로 간단한 것"과 "실제로 만드는 것" 사이의 격차는 비용이 많이 들고 흥미로워지는 부분입니다.

 

왜 빛을 귀찮게 하는가?

 

광 스위칭의 경우는 하나의 실망스러운 병목 현상, 즉 O-E-O 변환으로 귀결됩니다. 광 신호가 기존 전자 스위치에 도달할 때마다 전기 신호로 변환되어 처리된 후 다음 광섬유 세그먼트를 위한 광자로 다시 변환되어야 합니다. 이는 비효율적일 뿐만 아니라-이제 더 이상 지탱할 수 없게 되었습니다.

최신 데이터 센터 트래픽은 몇 년마다 두 배로 증가하는 불쾌한 습관을 가지고 있습니다. 전자 스위치가 벽에 부딪치고 있습니다. 전력 소비 규모가 좋지 않습니다. SerDes(직렬 변환기/직렬 변환기) 회로는 적극적인 냉각이 필요한 열을 생성합니다. 그리고 지연 시간이 있습니다.-각 O-E-O 홉은 다중-계층 네트워크 아키텍처에 걸쳐 누적되는 처리 지연을 추가합니다.

광스위치는 이 모든 것을 회피합니다. 빛이 들어오고, 빛의 방향이 바뀌고, 빛이 꺼집니다. 변환이 없습니다. 패킷 검사가 없습니다. 버퍼링이 없습니다. 가벼운 대기 시간의-속도는-기본적으로 스위치 패브릭 자체를 통한 전파 지연이며, 대부분의 실제 목적에서는 0이 될 수도 있습니다.

완벽할 것 같네요. 그렇다면 왜 모든 것이 광학적이지 않습니까?

 

스위칭 동물원

 

여기가 복잡해집니다. 단일 "광 스위치" 기술은 없습니다. 다양한 애플리케이션에 적합한 각기 다른 장단점이 있는 전체 접근 방식 분류가 있습니다.- 주요 카테고리:

 

기계식 스위치빛의 방향을 바꾸기 위해 광학 요소-거울, 프리즘, 광섬유 끝-을 물리적으로 이동합니다. 조잡한? 아마도. 하지만 그들은 수십 년 동안 배치되어 작동하고 있습니다. Polatis(현재 Huber+Suhner의 일부)는 압전 액추에이터를 사용하는 3D 빔{7}}조향 스위치 사업을 구축했습니다. 이러한 것들은 데이터 센터 표준-밀리초 단위로 측정되는 전환 시간-에 따라 느리지만 안정적입니다. 현장에 배포된 장치 전체에서 오류 없이 누적 액추에이터 수명이 10억 시간을 초과한다는 이야기를 들었습니다.- 그건 오타가 아닙니다.

MEMS 스위치(초소형-전기-기계 시스템)은 기계적 개념을 채택하여 이를 극적으로 축소했습니다. 포토리소그래피를 사용하여 실리콘 또는 유리 기판에 제작된 작은 거울은 기울어져 빔의 방향을 바꿀 수 있습니다. 스위칭 속도는 마이크로초로 향상됩니다. 포트 수는 수백 개에 달할 수 있습니다. 그러나 MEMS 제조는 까다롭고 장치는 통제된 환경 외부의 배포를 까다롭게 만드는 방식으로 충격과 진동에 민감합니다.

감열-광학 스위치실리콘 도파관에서 굴절률의 온도 의존성을 활용합니다. 박막 저항기로 도파관 섹션을 가열하고, 굴절률을 변경하고, Mach-Zehnder 간섭계에서 위상 관계를 이동하고, 출력 방향을 변경합니다. 실리콘은 약 1.8×10⁻⁴ K⁻1- 정도의 강력한 열-광학 계수-를 갖고 있어 이러한 접근 방식이 실용적입니다. 전환 시간은 마이크로초-~-밀리초 범위에 있습니다. 전력 소비가 문제입니다. 이러한 히터는 상태를 유지하기 위해 지속적인 전류가 필요합니다.

전기{0}}광 스위치이론적으로 나노초 단위로 전환할 수 있습니다. 실리콘에는 유용한 선형 전기{1}}광학 효과가 없으므로 캐리어 주입(손실 추가)을 사용하거나 니오브산 리튬과 같은 이국적인 재료를 살펴보고 있습니다. LiNbO₃ 변조기는 제가 태어나기 전부터 사용되어 왔습니다.-포켈 셀, Mach-Zehnder 변조기, 전체 카탈로그. 절연체 상의 니오브산 리튬 박막은 현재 반파장 전압이 낮아지고 집적 밀도가 향상되는 추세를 보이고 있습니다. 그러나 CMOS 호환성은 아직 파악하기 어렵습니다.

 

그리고 더 이국적인 접근 방식이 있습니다. 즉, 액정, 음향-광학, 게이트로서의 반도체 광 증폭기, 광결정 등이 있습니다. 각각에는 틈새 응용 프로그램이 있습니다. 어느 것도 보편적인 해결책이 되지 못했습니다.

 

 

MEMS: 계속해서 발전하고 있는 기술

 

실리콘 포토닉 MEMS는 대규모 광 스위칭을 향한 가장 유망한 경로이자 가장 실망스러운 경로 중 하나이기 때문에 자체적으로 논의할 가치가 있습니다.

설득력 있는 주장은 수십억 개의 트랜지스터를 생산하는 것과 동일한 CMOS{0}}호환 프로세스를 사용하여 광 스위치를 제조한다는 것입니다. 기존 파운드리 인프라를 활용합니다. 반도체 제조 규모에 따른 비용 절감을 실현하세요.

UC Berkeley 연구진은 몇 년 전 상용 파운드리에서 일반적인 포토리소그래피 및 건식 에칭 공정을 사용하여 표준 200mm SOI 웨이퍼에 광자 MEMS 스위치를 구축할 수 있음을 시연했습니다. 이국적인 제조 단계가 없습니다. 스위치는 작동했습니다. 7.7dB 광섬유-간-광섬유 손실, 1550nm 주변의 30nm 광 대역폭, 50마이크로초 전환 시간.

기술적 성과는 탄탄했다. 여전히 어려운 것은 다른 모든 것입니다.

MEMS 액추에이터에는 상대적으로 높은 구동 전압({0}}수십 볼트-)이 필요하므로 제어 전자 장치가 복잡해집니다. 기계적 구조는 HF 증기 에칭을 사용하여 아래에 있는 산화물 층에서 분리되어야 하며, 이로 인해 공정이 복잡해집니다. 파이버 어레이에 대한 정밀한 정렬이 필요한 수백 개의 광 포트를 처리할 때 패키징은 고통스럽습니다. 그리고 제어 평면이 있습니다. 일정 병목 현상을 일으키지 않고 64×64 매트릭스 전체에서 전환을 어떻게 조정합니까?

최근 한 그룹은 스위치가 도파관 교차점의 두 절반을 물리적으로 분리하거나 결합하여 작동하는 분할 도파관 교차점-기본적으로 MEMS- 작동 커플러에 대한 연구를 발표했습니다. 그들은 혼선이 현저히 낮은 64×64 Benes 스위치 어레이를 시연했으며 성능 저하 없이 10억 번의 스위칭 주기를 통해 이를 실행했습니다. 인상적인. 아직 생산되지 않습니다.

 

누화 문제는 누구도 말하고 싶어하지 않습니다

 

마케팅 자료에서 간과되는 경향이 있는 것이 바로 혼선이 축적된다는 것입니다.

작은 스위치-2×2, 4×4 누화는 -30dB 이상일 수 있습니다. 허용됩니다. 그러나 대규모 스위치 패브릭은 많은 기본 스위칭 요소를 캐스케이드합니다. 64×64 패브릭에는 수십 개의 개별 스위치와 도파관 교차점을 통과하는 빛이 있을 수 있습니다. 각각은 잘못된 출력 포트에 약간의 미광을 발생시킵니다.

최악의-시나리오는 하나의 공격자 신호가 피해자 채널로 유출되는 것이 아닙니다. N-1개의 공격자는 모두 일관되거나 일관되지 않은 누화를 동시에 기여합니다. 이를 테스트하는 것은 악몽입니다.-한 입력 포트를 제외한 모든 입력 포트를 밝히고 표시되어서는 안 되는 곳에 무엇이 표시되는지 측정해야 합니다. 대부분의 발표된 결과는 단일 경로 누화를 보고하는데 이는 낙관적입니다.

IBM 및 다른 곳의 연구원들은 개별 스위칭 셀에서 소광비를 -60dB 이상으로 끌어올리는 초-낮은- 누화 설계를 연구해 왔습니다. 이러한 숫자가 실제 제조 변형을 통해 대형 직물로 확장되어도 살아남을지 여부는 또 다른 질문입니다.

 

Thermo-Optic: 아무도 사랑하지 않는 일꾼

 

열{0}}광학 MZI 스위치는 매력을 느끼지 못합니다. 전기-광학에 비해 속도가 느립니다. MEMS에 비해 전력이 소모됩니다. 그러나 그들은 작동하고 실리콘 포토닉스 플랫폼과 완벽하게 통합되며 대규모로 시연되었습니다.

32×32 열{2}}광학 스위치 패브릭은 몇 년 전에 세라믹 BGA 와이어 본딩을 통해 처리되는 1,560개의 전기 I/O 포트로 패키징되고 특성화되었습니다. 전선이 너무 많아요. 열 관리에는 CuW 기판과 열전 냉각기가 포함되었습니다. 우아하지는 않지만 기능적입니다.

전력 소비는 지속적인 전류가 필요한 저항성 히터에서 발생합니다. 각 위상 시프터는 밀리와트를 소비할 수 있습니다. 대형 패브릭에 수백 또는 수천 개의 요소를 곱하면 열 예산이 실질적인 제약이 됩니다. 일부 그룹에서는 열 절연을 개선하기 위해 부유 도파관 구조를 연구했습니다.{3}}기판으로 열이 덜 새는 것은 더 빠른 응답과 더 낮은 전력을 의미하지만-기계적으로 취약한 대가를 치르게 됩니다.

마이크로초 단위의 스위칭 시간을 견딜 수 있고 열 부하를 처리할 수 있는 애플리케이션의 경우 열{0}광학은 여전히 ​​실용적인 선택입니다. 데이터 센터 재구성, 파장 라우팅, 테스트-및-측정-이 작업에는 나노초 전환이 필요하지 않습니다.

 

 

Electro-Optic 약속

 

나노초 전환은 느린 기술이 해결할 수 없는 사용 사례를 열어줍니다. 패킷-별-패킷 광 스위칭. 버스트-모드 작동. 애플리케이션 수요를 실시간으로 추적하는 동적 대역폭 할당.

실리콘은 여기서 도움이 되지 않습니다. 전기-광학 효과가 너무 약합니다. 캐리어 주입 PIN 다이오드(작동하지만 손실이 추가되고 속도가 제한됨) 또는 실제 포켈 계수가 있는 재료가 필요합니다.

니오브산 리튬은 수십 년 동안 사용되어 왔습니다.- 전기{2}}광학 계수는 오후 31시/V 부근에서 상당합니다.-r₃₃. Thorlabs 및 기타 업체의 상용 LiNbO₃ 변조기는 40GHz 이상에서 작동합니다. 문제는 항상 통합 밀도였습니다. 대량 리튬 니오베이트 장치는 센티미터-규모입니다. 도파관 너비는 실리콘 단위로 마이크론-규모입니다. 확산된 LiNbO₃에서는 훨씬 더 큽니다.

절연체의 얇은-필름 LiNbO₃는 미적분학을 변경합니다. 연구원들은 이제 대역폭이 100GHz를 초과하고 반파장 전압이 2V 미만인 Mach-Zehnder 변조기를 시연하고 있습니다. 실리콘 포토닉스가 달성할 수 있는 만큼의 발자국은 줄어들고 있습니다. 네이처 논문이 정기적으로 게재되고 있습니다.

나머지 광 회로와의 통합은 여전히 ​​문제로 남아 있습니다. LiNbO₃는 실리콘 위에서 성장하지 않습니다. 이기종 통합에는 결합이 포함되어 비용과 복잡성이 추가됩니다. 박막-필름 LiNbO₃ 웨이퍼 공급망은 실리콘 포토닉스에 비해 초기 단계입니다.

아직. 속도가 필요한 경우 물리학이 가리키는 곳이 바로 여기입니다.

 

데이터 센터가 실제로 원하는 것

 

하이퍼스케일러에는 학계 연구자들이 흥미를 느끼는 것과 항상 일치하지 않는 특정 요구 사항이 있습니다.

그들은 포트당 비용이 약 10달러를 원합니다. 그들은 계단식 스위치 아키텍처에 대해 10dB 미만의 삽입 손실을 원합니다. 그들은 예측할 수 없게 변화하는 트래픽 매트릭스를 추적할 수 있을 만큼 빠른 재구성 속도를 원합니다. 그들은 비트당 피코줄 이상으로 측정된 전력 효율성을 원합니다. 그들은 각 스위치를 관리하는 전담 유지 관리 직원 없이 규모에 맞게 배포할 수 있는 신뢰성 수치를 원합니다.

Polatis와 같은 회사의 MEMS-기반 광 회로 스위치는 일부 데이터 센터 애플리케이션에 침투했습니다. 전환 시간은-밀리초-느리지만 클러스터 간 대역폭을 지배하는 지속적인 "코끼리" 흐름의 경우-밀리초 재구성이 좋습니다. 패킷을-패킷별로-전환하려고 하는 것이 아닙니다. 대량 데이터 이동에 대한 O-E-O 변환 오버헤드를 피하려고 합니다.

마이크로초 미만의-광 패킷 교환에 대한 꿈은 대부분-꿈에 불과합니다. 컨트롤 플레인 문제 자체만으로도 어려운 일입니다. 실제로 존재하지 않는 광학 버퍼가 없으면 전자 스위치처럼 경합을 흡수할 수 없습니다. 일정은 완벽해야 합니다. 잠재적으로 수천 대의 서버 간의 동기화는 긴밀해야 합니다. 일부 연구 그룹에서는 40-나노초 스위칭-및 제어 시스템을 시연했지만 제품화는 또 다른 문제입니다.

 

음향-광학: 우회

 

음향{0}}광학 스위치는 연구 맥락에서 계속 등장하고 응용 분야가 제한되어 있더라도 물리학은 정말 흥미롭기 때문에 언급해야 합니다.

음향{0}}광학 변조기는 음파-일반적으로 인터디지털 변환기에서 발생하는 표면 음향파를 사용하여-재료에 주기적인 굴절률 격자를 생성합니다. 빛은 이 격자에서 회절됩니다. 음파를 제어하고, 빛을 제어하세요.

니오브산 리튬: 효율적인 음향 생성을 위한 강력한 압전 결합, 빛과의 상호 작용을 위한 적절한 광탄성 계수. 연구원들은 박막 플랫폼에서 0.1V·cm 미만의 VπL 제품(변조 효율의 장점 지수)을 사용하여 AO 변조기를 시연했습니다.{2}}

스위칭 속도는 나노초가 아닌 음향 전파-마이크로초로 제한됩니다. 애플리케이션은 통신 라우팅보다는 RF 포토닉스, 주파수 이동 및 레이저 Q{2}}스위칭을 지향하는 경향이 있습니다. 그러나 완전성을 위해 기술이 존재합니다.

 

통합 질문

 

광 스위칭에 대한 모든 진지한 논의에서 계속해서 제기되는 사항은 다음과 같습니다. 광 스위칭이 다른 모든 것과 어떻게 조화를 이루는가?

스위치 자체는 쓸모가 없습니다. 트랜시버, 파장 멀티플렉서, 증폭기, 모니터, 제어 전자 장치가 필요합니다. 단일 칩이나 단일 패키지에 이러한 기능을 더 많이 통합할수록 시스템 경제성이 향상됩니다.

실리콘 포토닉스는 앞서 나가고 있습니다. GlobalFoundries, TSMC 및 imec과 같은 파운드리에서는 프로세스 설계 키트를 제공합니다. 변조기, 광검출기, 파장 필터 및 수동 라우팅이 모두 동일한 플랫폼에 공존합니다. 현재 여러 연구 그룹이 수행하고 있는 것처럼{3}}이 스택에 MEMS 작동을 추가하면 나머지 광자 회로와 원활하게 통합되는 스위치를 활성화할 수 있습니다.

니오브산리튬은 다른 경로를 취합니다. 이 재료는 전기-광학 변조기, 음향-광학 장치, 비선형 광학 요소 및 저손실 도파관을 모두 하나의 기판에 호스팅할 수 있습니다.- 도구 상자는 틀림없이 실리콘보다 더 풍부합니다. 그러나 제조 생태계는 덜 성숙했습니다.

III{0}}V 반도체(InP, GaAs)는 실리콘이 따라올 수 없는 반도체 광증폭기와 레이저를 가능하게 합니다. 이종 통합-서로 다른 재료를 함께 결합-하면 각각의 장점을 결합할 수 있습니다. 아니면 각각의 제조 문제를 결합할 수도 있습니다.

아직 아무도 승리 공식을 알아내지 못했습니다.

 

정직한 평가

 

광 스위칭은 실제 네트워크에 배포되는 실제 기술입니다. 또한 최소한 20년 동안 모든 것을 변화시키는 데 "5년"이 걸린 기술이기도 합니다.

물리학이 작동합니다. 엔지니어링이 발전하고 있습니다. 경제가 좋아지고 있습니다. 특정 애플리케이션의 경우{3}}보호 스위칭, 파장 교차-연결, 재구성 가능한 추가-드롭 멀티플렉싱, 테스트 자동화-광 스위치가 적합한 솔루션으로 자리 잡았습니다.

전자 라우터를 완전히 제거하는 광 패킷 교환이라는 더 큰 비전을 원하십니까? 여전히 어려운 과제가 남아 있습니다. 제어 평면 복잡성. 광학 버퍼링이 부족합니다. 규모에 따른 제조 비용. 공급업체 간 표준화.

진행은 계속됩니다. 연구 논문은 매주 게재됩니다. 스타트업은 자금을 지원받습니다. 큰 회사는 작은 회사를 인수합니다. -더 적은 에너지로 더 많은 데이터를 이동-해야 한다는 근본적인 요구는 사라지지 않습니다.

아마도 이번에는 향후 5년이 정말 달라질 것입니다.