Optische Schalter: Was sie sind und wie sie funktionieren

 

In der Telekommunikation, in Rechenzentren und zunehmend auch in der Quantencomputing-Forschung stellen optische Schalter sowohl eine ausgereifte Technologie mit jahrzehntelanger Einsatzgeschichte als auch ein aktives Feld dar, in dem Forscher immer noch auf der Suche nach Leistungsverbesserungen sind, die vor fünf Jahren noch unmöglich schienen.

Die Lücke zwischen „konzeptionell unkompliziert“ und „tatsächlich bauen“ macht die Dinge teuer und interessant.

 

Warum sich mit Licht beschäftigen?

 

Der Grund für die optische Umschaltung liegt in einem einzigen, frustrierenden Engpass: der O-E-O-Umwandlung. Jedes Mal, wenn ein optisches Signal auf einen herkömmlichen elektronischen Schalter trifft, muss es in ein elektrisches Signal umgewandelt, verarbeitet und dann für das nächste Fasersegment wieder in Photonen umgewandelt werden. Das ist nicht nur ineffizient-es wird auch unhaltbar.

Der Datenverkehr in modernen Rechenzentren hat die unangenehme Angewohnheit, sich alle paar Jahre zu verdoppeln. Elektronische Schalter stoßen gegen eine Wand. Der Stromverbrauch skaliert schlecht. SerDes-Schaltkreise (Serializer/Deserializer) erzeugen Wärme, die eine aggressive Kühlung erfordert. Und da ist noch die Latenz,-jeder O-E-O-Hop fügt eine Verarbeitungsverzögerung hinzu, die sich in einer mehrschichtigen Netzwerkarchitektur ansammelt.

Ein optischer Schalter umgeht all dies. Licht geht hinein, Licht wird umgelenkt, Licht geht aus. Keine Konvertierung. Keine Paketinspektion. Keine Pufferung. Die Geschwindigkeit-der-Lichtlatenz ist im Wesentlichen die Ausbreitungsverzögerung durch die Switch-Fabric selbst, die für die meisten praktischen Zwecke genauso gut Null sein könnte.

Klingt perfekt. Warum ist also nicht alles optisch?

 

Der wechselnde Zoo

 

Hier wird es kompliziert. Es gibt keine einzelne „optische Schalter“-Technologie. Es gibt eine ganze Taxonomie von Ansätzen, jeder mit unterschiedlichen Kompromissen-, die für verschiedene Anwendungen sinnvoll sind. Die Hauptkategorien:

 

Mechanische SchalterOptische Elemente-Spiegel, Prismen, Faserenden-physisch bewegen, um Licht umzuleiten. Roh? Vielleicht. Aber sie sind seit Jahrzehnten im Einsatz und sie funktionieren. Polatis (heute Teil von Huber+Suhner) hat ein Unternehmen für 3D-Balkenlenkungsschalter mit piezoelektrischen Aktoren aufgebaut. Diese Dinge sind im Rechenzentrumsmaßstab langsam {{9}Umschaltzeiten werden in Millisekunden gemessen-, aber sie sind zuverlässig. Ich habe Geschichten über die Gesamtlebensdauer von Aktuatoren gehört, die bei im Feldeinsatz eingesetzten Einheiten eine Milliarde Stunden überstiegen, ohne dass es zu Ausfällen kam. Das ist kein Tippfehler.

MEMS-Schalter(mikro-elektro-mechanische Systeme) übernehmen das mechanische Konzept und verkleinern es drastisch. Winzige Spiegel, die mittels Fotolithographie auf Silizium- oder Glassubstraten hergestellt werden, können geneigt werden, um Strahlen umzulenken. Die Schaltgeschwindigkeiten verbessern sich auf Mikrosekunden. Die Anzahl der Ports kann in die Hunderte gehen. Die Herstellung von MEMS ist jedoch schwierig und die Geräte reagieren weiterhin empfindlich auf Stöße und Vibrationen, was den Einsatz außerhalb kontrollierter Umgebungen schwierig macht.

Thermo-optische Schalternutzen die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex in Siliziumwellenleitern aus. Erhitzen Sie einen Abschnitt des Wellenleiters mit einem Dünnschichtwiderstand, ändern Sie den Brechungsindex, verschieben Sie die Phasenbeziehung in einem Mach-Zehnder-Interferometer und leiten Sie den Ausgang um. Silizium hat einen starken thermo-optischen Koeffizienten-von etwa 1,8×10⁻⁴ K⁻¹-, was diesen Ansatz praktisch macht. Die Schaltzeiten liegen im Mikrosekunden--bis-Millisekundenbereich. Der Stromverbrauch ist der Haken: Diese Heizungen benötigen Dauerstrom, um den Zustand aufrechtzuerhalten.

Elektro-optische Schalterkann theoretisch in Nanosekunden schalten. Silizium hat keine nützlichen linearen elektro-optischen Effekte, daher verwenden Sie entweder die Ladungsträgerinjektion (die den Verlust erhöht) oder suchen nach exotischen Materialien wie Lithiumniobat. LiNbO₃-Modulatoren gab es schon vor meiner Geburt-Pockels-Zellen, Mach-Zehnder-Modulatoren, der ganze Katalog. Dünnschicht-Lithiumniobat auf Isolatoren hat derzeit einen Durchbruch, da die Halbwellenspannungen sinken und sich die Integrationsdichte verbessert. Die CMOS-Kompatibilität bleibt jedoch unklar.

 

Und dann gibt es noch die exotischeren Ansätze: Flüssigkristalle, akusto{0}optische Halbleiter, optische Halbleiterverstärker als Gates, photonische Kristalle. Jedes hat Nischenanwendungen. Keine davon ist zur universellen Lösung geworden.

 

 

MEMS: Die Technologie, die immer mehr auf dem Vormarsch ist

 

Photonische MEMS auf Siliziumbasis verdienen eine eigene Diskussion, da sie den möglicherweise vielversprechendsten und zugleich frustrierendsten Weg zum optischen Schalten im großen Maßstab darstellen.

Der Vorschlag ist überzeugend: Stellen Sie optische Schalter mit denselben CMOS-kompatiblen Prozessen her, die Milliarden von Transistoren produzieren. Nutzen Sie die vorhandene Gießerei-Infrastruktur. Erzielen Sie die Kostensenkungen, die mit der Skalierung der Halbleiterfertigung einhergehen.

Forscher der UC Berkeley haben vor einigen Jahren gezeigt, dass man photonische MEMS-Schalter auf standardmäßigen 200-mm-SOI-Wafern mithilfe regulärer Fotolithografie- und Trockenätzverfahren in kommerziellen Gießereien bauen kann. Keine exotischen Herstellungsschritte. Die Schalter funktionierten: 7,7 dB Faser-zu-Faser-Verlust, 30 nm optische Bandbreite um 1550 nm, Schaltzeiten von 50 Mikrosekunden.

Die technischen Ergebnisse waren solide. Was herausfordernd bleibt, ist alles andere.

MEMS-Aktoren benötigen relativ hohe Ansteuerspannungen {{0}mehrere zehn Volt-, was die Steuerelektronik komplizierter macht. Die mechanischen Strukturen müssen mittels HF-Dampfätzen von der darunter liegenden Oxidschicht gelöst werden, was den Prozessaufwand erhöht. Die Verpackung wird mühsam, wenn es um Hunderte von optischen Ports geht, die eine präzise Ausrichtung auf Glasfaser-Arrays erfordern. Und dann ist da noch die Steuerungsebene: Wie koordinieren Sie das Umschalten über eine 64×64-Matrix, ohne dass es zu Planungsengpässen kommt?

Eine Gruppe veröffentlichte kürzlich Arbeiten zu geteilten Wellenleiterkreuzungen-im Wesentlichen MEMS-betätigten Kopplern, bei denen der Schalter durch physisches Trennen oder Verbinden zweier Hälften einer Wellenleiterkreuzung funktioniert. Sie demonstrierten ein 64x64-Benes-Switch-Array mit bemerkenswert geringem Übersprechen und ließen es eine Milliarde Schaltzyklen ohne Leistungseinbußen durchlaufen. Beeindruckend. Immer noch nicht in Produktion.

 

Das Crosstalk-Problem, über das niemand reden möchte

 

Folgendes wird in den Marketingmaterialien gerne beschönigt: Übersprechen häuft sich.

In einem kleinen Schalter-2×2, 4×4 kann das Übersprechen bei -30 dB oder besser liegen. Akzeptabel. Aber große Schaltstrukturen kaskadieren viele elementare Schaltelemente. Bei einem 64×64-Gewebe könnte Licht Dutzende einzelner Schalter und Wellenleiterkreuzungen durchlaufen. Jeder trägt etwas Streulicht zum falschen Ausgangsanschluss bei.

Das Worst-{0}Szenario besteht nicht darin, dass ein einziges Angreifersignal in den Kanal Ihres Opfers eindringt. Es sind N-1 Angreifer, die alle gleichzeitig zu kohärentem oder inkohärentem Übersprechen beitragen. Dies zu testen ist ein Albtraum. -Sie müssten alle Eingangsanschlüsse bis auf einen beleuchten und messen, was dort angezeigt wird, wo es nicht sollte. Die meisten veröffentlichten Ergebnisse berichten von Einpfad-Nebensprechen, was … optimistisch ist.

Forscher bei IBM und anderswo haben an Designs mit extrem -niedrigem-Übersprechen gearbeitet und dabei die Extinktionsverhältnisse in einzelnen Schaltzellen auf -60 dB oder besser gesteigert. Ob diese Zahlen einer Skalierung auf große Stoffe mit echten Herstellungsschwankungen standhalten, ist eine andere Frage.

 

Thermo-Optik: Das Arbeitstier, das niemand liebt

 

Thermo-optische MZI-Schalter bekommen nicht den Glamour. Im Vergleich zu elektro-optischen sind sie langsam. Sie verbrauchen im Vergleich zu MEMS Strom. Aber sie funktionieren, sie lassen sich problemlos in Silizium-Photonik-Plattformen integrieren und sie wurden in großem Maßstab demonstriert.

Vor einigen Jahren wurde eine thermooptische 32×32-Switch-Struktur mit etwa 1.560 elektrischen I/O-Ports verpackt und charakterisiert, die über keramisches BGA-Drahtbonden verwaltet werden. Das sind viele Drähte. Das Wärmemanagement umfasste CuW-Substrate und thermoelektrische Kühler. Nicht elegant, aber funktional.

Der Stromverbrauch stammt von den Widerstandsheizungen, die Dauerstrom benötigen. Jeder Phasenschieber könnte Milliwatt verbrauchen. Wenn Sie Hunderte oder Tausende von Elementen in einem großen Stoff multiplizieren, wird das Wärmebudget zu einer echten Einschränkung. Einige Gruppen haben schwebende Wellenleiterstrukturen untersucht, um die thermische Isolierung zu verbessern -weniger Wärme, die in das Substrat eindringt, bedeutet schnellere Reaktion und geringere Leistung-jedoch auf Kosten der mechanischen Zerbrechlichkeit.

Für Anwendungen, die Schaltzeiten im Mikrosekundenbereich tolerieren und die thermische Belastung bewältigen können, bleibt die Thermooptik die pragmatische Wahl. Neukonfiguration des Rechenzentrums, Wellenlängenrouting, Test-und-Messung-Dafür braucht niemand Nanosekunden-Umschaltung.

 

 

Das elektro-optische Versprechen

 

Nanosekunden-Switching erschließt Anwendungsfälle, die langsamere Technologien einfach nicht bewältigen können. Paket-durch-paketoptische Vermittlung. Betrieb im Burst--Modus. Dynamische Bandbreitenzuweisung, die den Anwendungsbedarf in Echtzeit verfolgt.

Silizium hilft hier nicht. Seine elektro-optischen Effekte sind zu schwach. Sie benötigen entweder Trägerinjektions-PIN-Dioden (die funktionieren, aber Verluste verursachen und eine begrenzte Geschwindigkeit haben) oder Materialien mit echten Pockels-Koeffizienten.

Lithiumniobat ist seit Jahrzehnten die erste Wahl. Die elektro-optischen Koeffizienten sind beträchtlich-r₃₃ um 31 pm/V. Kommerzielle LiNbO₃-Modulatoren von Thorlabs und anderen arbeiten mit 40 GHz oder mehr. Das Problem war schon immer die Integrationsdichte. Große Lithiumniobat-Geräte sind im Zentimetermaßstab-. Wellenleiterbreiten liegen bei Silizium im Mikrometerbereich; Sie sind in diffundiertem LiNbO₃ viel größer.

Ein dünner -LiNbO₃-Film auf einem Isolator verändert den Kalkül. Forscher demonstrieren jetzt Mach-Zehnder-Modulatoren mit Bandbreiten über 100 GHz und Halbwellenspannungen unter 2 V. Der Fußabdruck schrumpft im Vergleich zu dem, was die Siliziumphotonik leistet. Regelmäßig erscheinen Naturbeiträge.

Das Problem bleibt die Integration mit dem Rest eines photonischen Schaltkreises. LiNbO₃ wächst nicht auf Silizium. Heterogene Integration erfordert Bonding, was die Kosten und die Komplexität erhöht. Die Lieferkette für Dünnschicht-LiNbO₃-Wafer ist im Vergleich zur Siliziumphotonik noch im Entstehen begriffen.

Trotzdem. Wenn Sie Geschwindigkeit brauchen, ist die Physik genau das Richtige für Sie.

 

Was Rechenzentren eigentlich wollen

 

Die Hyperscaler haben spezifische Anforderungen, die nicht immer mit dem übereinstimmen, was akademische Forscher interessant finden.

Sie wollen, dass die Kosten pro Port etwa 10 US-Dollar betragen. Für kaskadierte Switch-Architekturen wird eine Einfügungsdämpfung unter 10 dB gefordert. Sie wollen Rekonfigurationsgeschwindigkeiten, die schnell genug sind, um Verkehrsmatrizen zu verfolgen, die sich unvorhersehbar ändern. Sie wollen die Energieeffizienz in Pikojoule pro Bit oder besser messen. Sie wünschen sich Zuverlässigkeitszahlen, die eine Bereitstellung in großem Maßstab ermöglichen, ohne dass spezielles Wartungspersonal jeden Switch betreut.

MEMS-basierte optische Schaltkreisschalter von Unternehmen wie Polatis sind in einige Rechenzentrumsanwendungen vorgedrungen. Die Umschaltzeiten-Millisekunden-sind langsam, aber für dauerhafte „Elefanten“-Flüsse, die die Inter-Cluster-Bandbreite dominieren, ist eine Neukonfiguration im Millisekundenbereich in Ordnung. Sie versuchen nicht, Pakete -für-zu wechseln. Sie versuchen, den O-E-O-Konvertierungsaufwand für die Massendatenverschiebung zu vermeiden.

Der Traum von der optischen Paketvermittlung im Sub{0}Mikrosekundenbereich bleibt weitgehend ein Traum. Allein das Problem der Kontrollebene ist entmutigend. Ohne optische Puffer (die praktisch nicht existieren) können Sie Konflikte nicht auf die Art und Weise absorbieren, wie dies bei elektronischen Schaltern der Fall ist. Die Terminplanung muss perfekt sein. Die Synchronisierung über potenziell Tausende von Servern muss eng sein. Einige Forschungsgruppen haben 40-Nanosekunden-Schalt--Systeme demonstriert, aber die Produktisierung ist eine andere Sache.

 

Akustische-Optik: Ein Umweg

 

Ich sollte akusto{0}optische Schalter erwähnen, weil sie immer wieder in Forschungskontexten auftauchen und weil die Physik wirklich interessant ist, auch wenn die Anwendungen begrenzt bleiben.

Ein akusto{0}}optischer Modulator verwendet akustische Wellen-typischerweise akustische Oberflächenwellen, die von Interdigitalwandlern ausgelöst werden-, um ein periodisches Brechungsindexgitter in einem Material zu erzeugen. An diesem Gitter wird Licht gebrochen. Kontrollieren Sie die akustische Welle, steuern Sie das Licht.

Wieder Lithiumniobat: starke piezoelektrische Kopplung für effiziente akustische Erzeugung, gute photoelastische Koeffizienten für die Wechselwirkung mit Licht. Forscher haben AO-Modulatoren mit VπL-Produkten (der Gütezahl für die Modulationseffizienz) unter 0,1 V·cm auf Dünnschichtplattformen demonstriert.

Die Schaltgeschwindigkeiten werden durch die akustische Ausbreitung -Mikrosekunden und nicht durch Nanosekunden begrenzt. Die Anwendungen tendieren eher zu HF-Photonik, Frequenzverschiebung und Laser-Q--Umschaltung als zu Telekommunikationsrouting. Der Vollständigkeit halber: Die Technologie existiert.

 

Die Integrationsfrage

 

In jeder ernsthaften Diskussion über optisches Switching kommt immer wieder Folgendes zur Sprache: Wie passt es zu allem anderen?

Ein Schalter allein ist nutzlos. Sie benötigen Transceiver, Wellenlängenmultiplexer, Verstärker, Monitore, Steuerelektronik. Je mehr davon Sie auf einem einzelnen Chip oder in einem einzigen Gehäuse integrieren können, desto besser wird die Systemökonomie.

Die Siliziumphotonik hat einen Vorsprung. Gießereien wie GlobalFoundries, TSMC und imec bieten Prozessdesign-Kits an. Modulatoren, Fotodetektoren, Wellenlängenfilter und passives Routing sind alle auf derselben Plattform vorhanden. Das Hinzufügen einer MEMS-Betätigung zu diesem Stapel -wie es derzeit mehrere Forschungsgruppen tun-könnte Schalter ermöglichen, die sich nahtlos in den Rest der photonischen Schaltkreise integrieren lassen.

Lithiumniobat geht einen anderen Weg. Das Material kann elektro-optische Modulatoren, akusto-optische Geräte, nichtlineare optische Elemente und verlustarme Wellenleiter auf einem Substrat beherbergen. Der Werkzeugkasten ist wohl umfangreicher als Silizium. Das Produktionsökosystem ist jedoch weniger ausgereift.

III-V-Halbleiter (InP, GaAs) ermöglichen optische Halbleiterverstärker und -laser, mit denen Silizium nicht mithalten kann. Heterogene Integration-Verbinden verschiedener Materialien-könnte das Beste aus jedem kombinieren. Oder es kombiniert einfach die Herstellungsherausforderungen beider.

Noch hat niemand die Erfolgsformel herausgefunden.

 

Die ehrliche Einschätzung

 

Optisches Switching ist eine echte Technologie, die in echten Netzwerken eingesetzt wird. Es ist auch eine Technologie, die seit mindestens zwanzig Jahren „fünf Jahre davon entfernt ist“, alles zu verändern.

Die Physik funktioniert. Die Technik schreitet voran. Die Wirtschaftslage verbessert sich. Für bestimmte Anwendungen-Schutzschaltungen, Wellenlängen-Cross-Verbindungen, rekonfigurierbares Add-Drop-Multiplexing, Testautomatisierung-haben sich optische Schalter als die richtige Lösung etabliert.

Für die größere Vision der optischen Paketvermittlung, die elektronische Router vollständig abschafft? Die Herausforderungen bleiben gewaltig. Komplexität der Steuerungsebene. Fehlende optische Pufferung. Herstellungskosten im Maßstab. Standardisierung über Anbieter hinweg.

Der Fortschritt geht weiter. Forschungsarbeiten erscheinen wöchentlich. Startups werden gefördert. Große Unternehmen übernehmen kleine. Der zugrunde liegende Bedarf, -mehr Daten mit weniger Energie zu verschieben-, verschwindet nicht.

Vielleicht werden die nächsten fünf Jahre dieses Mal wirklich anders sein.