Switches ópticos: o que são e como funcionam

 

Nas telecomunicações, nos centros de dados e cada vez mais na investigação em computação quântica, os switches ópticos representam uma tecnologia madura com décadas de história de implementação e uma fronteira activa onde os investigadores ainda perseguem melhorias de desempenho que pareciam impossíveis há cinco anos.

A lacuna entre “conceitualmente simples” e “realmente construir um” ​​é onde as coisas ficam caras e interessantes.

 

Por que se preocupar com a luz?

 

O argumento da comutação óptica se resume a um gargalo único e frustrante: a conversão O-E-O. Cada vez que um sinal óptico atinge um comutador eletrônico convencional, ele deve ser convertido em um sinal elétrico, processado e depois convertido novamente em fótons para o próximo segmento de fibra. Isso não é apenas ineficiente-está se tornando insustentável.

O tráfego dos data centers modernos tem o péssimo hábito de dobrar a cada poucos anos. Interruptores eletrônicos estão batendo na parede. O consumo de energia é mal dimensionado. Os circuitos SerDes (serializador/desserializador) geram calor que requer resfriamento agressivo. E há a latência-cada salto O-E-O adiciona atraso de processamento que se acumula em uma arquitetura de rede-multicamadas.

Um switch óptico evita tudo isso. A luz entra, a luz é redirecionada, a luz se apaga. Sem conversão. Sem inspeção de pacotes. Sem buffer. A latência da-velocidade-da luz é essencialmente o atraso de propagação através da própria malha do switch, que para a maioria dos propósitos práticos pode muito bem ser zero.

Parece perfeito. Então, por que nem tudo é óptico?

 

O zoológico de mudança

 

É aqui que fica complicado. Não existe uma tecnologia única de "interruptor óptico". Há toda uma taxonomia de abordagens, cada uma com diferentes compensações-que fazem sentido para diferentes aplicações. As principais categorias:

 

Interruptores mecânicosmover fisicamente elementos ópticos-espelhos, prismas, extremidades de fibra-para redirecionar a luz. Bruto? Talvez. Mas eles foram implantados há décadas e funcionam. A Polatis (agora parte da Huber+Suhner) construiu um negócio de interruptores de direção-de feixe 3D usando atuadores piezoelétricos. Essas coisas são lentas para os padrões de data center-tempos de comutação medidos em milissegundos-mas são confiáveis. Já ouvi histórias de vida acumulada de atuadores que excedem um bilhão de horas em unidades{12}implantadas em campo sem falhas. Isso não é um erro de digitação.

Chaves MEMS(sistemas micro-eletro{1}}mecânicos) pegam o conceito mecânico e o reduzem drasticamente. Pequenos espelhos fabricados em substratos de silício ou vidro usando fotolitografia podem inclinar-se para redirecionar os feixes. As velocidades de comutação melhoram para microssegundos. A contagem de portas pode chegar a centenas. Mas a fabricação de MEMS é meticulosa e os dispositivos permanecem sensíveis a choques e vibrações de maneiras que tornam complicada a implantação fora de ambientes controlados.

Interruptores termo-ópticosexplorar a dependência da temperatura do índice de refração em guias de onda de silício. Aqueça uma seção do guia de ondas com um resistor de filme fino-, altere o índice de refração, mude a relação de fase em um interferômetro Mach-Zehnder, redirecione a saída. O silício tem um forte coeficiente térmico-óptico-cerca de 1,8×10⁻⁴ K⁻¹-o que torna essa abordagem prática. Os tempos de comutação ficam na faixa de microssegundos-a-milissegundos. O consumo de energia é o problema: esses aquecedores precisam de corrente contínua para manter o estado.

Interruptores-eletro-ópticospode teoricamente mudar em nanossegundos. O silício não tem efeitos eletro{1}ópticos lineares úteis, então você está usando injeção de portador (que adiciona perda) ou olhando para materiais exóticos como o niobato de lítio. Os moduladores LiNbO₃ existem desde antes de eu nascer-células Pockels, moduladores Mach{4}}Zehnder, o catálogo inteiro. O niobato de lítio-de filme fino no isolador está passando por um momento agora, com tensões de meia-onda caindo e densidade de integração melhorando. Mas a compatibilidade do CMOS permanece indefinida.

 

E há também as abordagens mais exóticas: cristal líquido, óptica-acústica, amplificadores ópticos semicondutores como portas, cristais fotônicos. Cada um tem aplicações de nicho. Nenhum se tornou a solução universal.

 

 

MEMS: a tecnologia que está quase chegando

 

MEMS fotônicos de silício merecem sua própria discussão porque representam o que pode ser o caminho mais promissor para a comutação óptica em grande-escala e também um dos mais frustrantes.

A ideia é convincente: fabricar switches ópticos usando os mesmos processos{0}compatíveis com CMOS que produzem bilhões de transistores. Aproveite a infraestrutura de fundição existente. Obtenha as reduções de custos proporcionadas pela escala de fabricação de semicondutores.

Pesquisadores da UC Berkeley demonstraram há alguns anos que era possível construir interruptores MEMS fotônicos em wafers SOI padrão de 200 mm usando processos fotolitográficos regulares e de gravação-a seco em fundições comerciais. Nenhuma etapa de fabricação exótica. Os switches funcionaram: perda de fibra-para{6}}fibra de 7,7 dB, largura de banda óptica de 30 nm em torno de 1.550 nm, tempos de comutação de 50 microssegundos.

Os resultados técnicos foram sólidos. O que permanece desafiador é todo o resto.

Os atuadores MEMS precisam de tensões de acionamento relativamente altas-dezenas de volts-o que complica a eletrônica de controle. As estruturas mecânicas devem ser liberadas da camada de óxido subjacente usando gravação a vapor HF, o que aumenta a complexidade do processo. O empacotamento se torna complicado quando você lida com centenas de portas ópticas que precisam de alinhamento preciso com matrizes de fibra. E há também o plano de controle: como coordenar a comutação em uma matriz 64×64 sem criar gargalos de agendamento?

Um grupo publicou recentemente um trabalho sobre cruzamentos de guias de onda divididos,-essencialmente acopladores acionados por MEMS-, onde o comutador opera separando ou unindo fisicamente duas metades de um cruzamento de guia de ondas. Eles demonstraram um conjunto de switches Benes 64×64 com crosstalk notavelmente baixo e executaram-no por um bilhão de ciclos de comutação sem degradação de desempenho. Impressionante. Ainda não está em produção.

 

O problema do crosstalk sobre o qual ninguém quer falar

 

Aqui está algo que tende a ser encoberto nos materiais de marketing: o crosstalk se acumula.

Em um switch pequeno-2×2, 4×4-crosstalk pode ser de -30dB ou melhor. Aceitável. Mas as malhas de comutação em grande escala colocam em cascata muitos elementos de comutação elementares. Um tecido 64×64 pode ter luz atravessando dezenas de interruptores individuais e cruzamentos de guias de onda. Cada um contribui com um pouco de luz dispersa para a porta de saída errada.

O pior-cenário não é um sinal do agressor vazando para o canal da vítima. São N-1 agressores, todos contribuindo com crosstalk coerente ou incoerente simultaneamente. Testar isso é um pesadelo-você precisaria iluminar todas as portas de entrada, exceto uma, e medir o que aparece onde não deveria. A maioria dos resultados publicados relata crosstalk de caminho único, o que é... otimista.

Pesquisadores da IBM e de outros lugares têm trabalhado em projetos de crosstalk ultra{0}}baixo-, elevando as taxas de extinção para -60dB ou melhor em células de comutação individuais. Se esses números sobreviverão à escala para tecidos grandes com variações reais de fabricação é outra questão.

 

Termo-óptica: o carro-chefe que ninguém ama

 

Os interruptores termo-ópticos MZI não têm o glamour. Eles são lentos em comparação com a eletro-óptica. Eles queimam energia em comparação com MEMS. Mas eles funcionam, integram-se perfeitamente às plataformas fotônicas de silício e foram demonstrados em escala.

Uma estrutura de switch termo-óptica 32×32 foi embalada e caracterizada há vários anos com algo em torno de 1.560 portas de E/S elétricas tratadas por meio de ligação de fio BGA-de cerâmica. São muitos fios. O gerenciamento térmico envolveu substratos CuW e resfriadores termoelétricos. Não é elegante, mas funcional.

O consumo de energia vem daqueles aquecedores resistivos que necessitam de corrente contínua. Cada deslocador de fase pode consumir miliwatts. Multiplique por centenas ou milhares de elementos num tecido grande e o orçamento térmico torna-se um verdadeiro constrangimento. Alguns grupos exploraram estruturas suspensas de guias de onda para melhorar o isolamento térmico-menos vazamento de calor no substrato significa resposta mais rápida e menor potência-mas ao custo de fragilidade mecânica.

Para aplicações que podem tolerar tempos de comutação de microssegundos e lidar com a carga térmica, a termo-óptica continua sendo a escolha pragmática. Reconfiguração de data center, roteamento de comprimento de onda, teste-e-medição-ninguém precisa de comutação de nanossegundos para isso.

 

 

A promessa eletro{0}}óptica

 

A comutação em nanossegundos desbloqueia casos de uso que tecnologias mais lentas simplesmente não conseguem resolver. Comutação óptica-por{2}}pacote. Operação em modo-intermitente. Alocação dinâmica de largura de banda que rastreia a demanda dos aplicativos em tempo real.

O silício não ajuda aqui. Seus efeitos eletro{1}}ópticos são muito fracos. Você precisa de diodos PIN de injeção{3}}de portadora (que funcionam, mas adicionam perdas e têm velocidade limitada) ou materiais com coeficientes de Pockels reais.

O niobato de lítio tem sido usado-há décadas. Os coeficientes eletro-ópticos são substanciais-r₃₃ por volta das 31 pm/V. Moduladores LiNbO₃ comerciais da Thorlabs e outros operam a 40 GHz ou além. O problema sempre foi a densidade de integração. Os dispositivos de niobato de lítio em massa têm escala centimétrica-. As larguras dos guias de ondas são em escala-mícron em silício; eles são muito maiores em LiNbO₃ difundido.

O-filme fino de LiNbO₃ no isolador altera o cálculo. Os pesquisadores agora estão demonstrando moduladores Mach{2}}Zehnder com larguras de banda superiores a 100 GHz e tensões de meia-onda abaixo de 2V. As pegadas estão diminuindo em direção ao que a fotônica do silício alcança. Artigos da natureza estão aparecendo com regularidade.

A integração com o resto de um circuito fotônico continua sendo o problema. LiNbO₃ não cresce em silício. A integração heterogênea envolve ligação, o que acrescenta custo e complexidade. A cadeia de fornecimento de wafers de LiNbO₃ de filme fino- é incipiente em comparação com a fotônica de silício.

Ainda. Se você precisa de velocidade, é aqui que a física aponta.

 

O que os data centers realmente desejam

 

Os hiperscaladores têm requisitos específicos que nem sempre se alinham com o que os pesquisadores acadêmicos consideram interessante.

Eles querem um custo por porta em torno de US$ 10. Eles querem perda de inserção inferior a 10dB para arquiteturas de switch em cascata. Eles querem velocidades de reconfiguração rápidas o suficiente para rastrear matrizes de tráfego que mudam de forma imprevisível. Eles querem a eficiência energética medida em picojoules por bit ou melhor. Eles querem números de confiabilidade que lhes permitam implantar em escala, sem uma equipe de manutenção dedicada cuidando de cada switch.

Switches de circuitos ópticos-baseados em MEMS de empresas como a Polatis penetraram em algumas aplicações de data center. Os tempos de comutação -milissegundos-são lentos, mas para fluxos "elefantes" persistentes que dominam a largura de banda entre-clusters, a reconfiguração em milissegundos é adequada. Você não está tentando trocar pacote-por{7}}pacote; você está tentando evitar a sobrecarga de conversão O-E-O para movimentação de dados em massa.

O sonho da comutação óptica de pacotes em sub{0}}microssegundos continua sendo, em grande parte,-um sonho. O problema do plano de controle por si só é assustador. Sem buffers ópticos (que praticamente não existem), você não pode absorver a contenção da mesma forma que os interruptores eletrônicos. O agendamento deve ser perfeito. A sincronização entre potencialmente milhares de servidores deve ser rigorosa. Alguns grupos de pesquisa demonstraram sistemas de comutação e controle de 40-nanossegundos-, mas a produção é outra questão.

 

Óptica-acústica: um desvio

 

Devo mencionar os interruptores-acústicos porque eles continuam aparecendo em contextos de pesquisa e porque a física é genuinamente interessante, mesmo que as aplicações permaneçam limitadas.

Um modulador-óptico acústico usa ondas acústicas-geralmente ondas acústicas de superfície lançadas por transdutores interdigitais-para criar uma grade de índice de refração periódica em um material. A luz difrata nesta grade. Controle a onda acústica, controle a luz.

Niobato de lítio novamente: forte acoplamento piezoelétrico para geração acústica eficiente, coeficientes fotoelásticos decentes para interação com a luz. Pesquisadores demonstraram moduladores AO com produtos VπL (a figura de mérito para eficiência de modulação) abaixo de 0,1 V·cm em plataformas-de filme fino.

As velocidades de comutação são limitadas pela propagação acústica -microssegundos, não nanossegundos. As aplicações tendem para fotônica de RF, mudança de frequência e comutação Q{2}}de laser em vez de roteamento de telecomunicações. Mas para completar, a tecnologia existe.

 

A questão da integração

 

Aqui está o que surge em todas as discussões sérias sobre comutação óptica: como ela se encaixa em todo o resto?

Um switch por si só é inútil. Você precisa de transceptores, multiplexadores de comprimento de onda, amplificadores, monitores e eletrônicos de controle. Quanto mais deles você puder integrar em um único chip ou em um único pacote, melhor será a economia do sistema.

A fotônica do silício tem uma vantagem inicial. Fundições como GlobalFoundries, TSMC e imec oferecem kits de design de processos. Moduladores, fotodetectores, filtros de comprimento de onda e roteamento passivo coexistem na mesma plataforma. Adicionar a atuação de MEMS a essa pilha-como vários grupos de pesquisa estão fazendo agora-poderia permitir interruptores que se integram perfeitamente ao restante dos circuitos fotônicos.

O niobato de lítio segue um caminho diferente. O material pode hospedar moduladores eletro{1}}ópticos, dispositivos acústicos-ópticos, elementos ópticos não lineares e guias de onda-de baixa perda, tudo em um substrato. A caixa de ferramentas é indiscutivelmente mais rica que o silício. Mas o ecossistema industrial está menos maduro.

Semicondutores III-V (InP, GaAs) habilitam amplificadores ópticos semicondutores e lasers que o silício não consegue igualar. A integração heterogênea-unindo materiais diferentes-pode combinar o melhor de cada um. Ou pode apenas combinar os desafios de fabricação de cada um.

Ninguém descobriu a fórmula vencedora ainda.

 

A avaliação honesta

 

A comutação óptica é uma tecnologia real implantada em redes reais. É também a tecnologia que está a “cinco anos de distância” de transformar tudo há pelo menos vinte anos.

A física funciona. A engenharia está avançando. A economia está melhorando. Para determinadas aplicações,-comutação de proteção, conexões cruzadas de comprimento de onda-, multiplexação add{5}}drop reconfigurável e automação de testes-os switches ópticos se estabeleceram como a solução certa.

Para uma visão mais ampla da comutação óptica de pacotes, eliminando totalmente os roteadores eletrônicos? Os desafios continuam formidáveis. Complexidade do plano de controle. Falta de buffer óptico. Custos de fabricação em escala. Padronização entre fornecedores.

O progresso continua. Artigos de pesquisa aparecem semanalmente. Startups são financiadas. Grandes empresas adquirem pequenas. A necessidade subjacente de-transferir mais dados com menos energia-não vai desaparecer.

Talvez desta vez os próximos cinco anos sejam realmente diferentes.