Interruttori ottici: cosa sono e come funzionano

 

Nelle telecomunicazioni, nei data center e sempre più nella ricerca sull’informatica quantistica, gli interruttori ottici rappresentano sia una tecnologia matura con decenni di storia di implementazione sia una frontiera attiva in cui i ricercatori ancora inseguono miglioramenti delle prestazioni che sembravano impossibili cinque anni fa.

Il divario tra "concettualmente semplice" e "costruirne effettivamente uno" è dove le cose diventano costose e interessanti.

 

Perché preoccuparsi della luce?

 

Il caso della commutazione ottica si riduce a un unico e frustrante collo di bottiglia: la conversione O-E-O. Ogni volta che un segnale ottico colpisce un interruttore elettronico convenzionale, deve essere convertito in segnale elettrico, elaborato e quindi riconvertito in fotoni per il successivo segmento di fibra. Tutto questo non è solo inefficiente-sta diventando insostenibile.

Il traffico dei data center moderni ha la brutta abitudine di raddoppiare ogni pochi anni. Gli interruttori elettronici sbattono contro un muro. Il consumo energetico si adatta male. I circuiti SerDes (serializzatore/deserializzatore) generano calore che richiede un raffreddamento aggressivo. Inoltre, la latenza-ciascun O-E-O hop aggiunge un ritardo di elaborazione che si accumula in un'architettura di rete multi-livello.

Un interruttore ottico evita tutto questo. La luce entra, la luce viene reindirizzata, la luce si spegne. Nessuna conversione. Nessuna ispezione dei pacchetti. Nessun buffering. La velocità-della-latenza della luce è essenzialmente il ritardo di propagazione attraverso la struttura dello switch stessa, che per la maggior parte degli scopi pratici potrebbe anche essere zero.

Sembra perfetto. Allora perché non è tutto ottico?

 

Lo zoo del cambio

 

Ecco dove le cose si complicano. Non esiste un'unica tecnologia "interruttore ottico". Esiste un'intera tassonomia di approcci, ciascuno con diversi compromessi-che hanno senso per applicazioni diverse. Le categorie principali:

 

Interruttori meccanicispostare fisicamente gli elementi ottici-specchi, prismi, estremità delle fibre-per reindirizzare la luce. Greggio? Forse. Ma sono in uso da decenni e funzionano. Polatis (ora parte di Huber+Suhner) ha creato un business sugli interruttori di sterzo a raggio 3D-utilizzando attuatori piezoelettrici. Questi dispositivi sono lenti rispetto agli standard dei data center-tempi di commutazione misurati in millisecondi-ma sono affidabili. Ho sentito storie di attuatori che hanno accumulato una durata superiore a un miliardo di ore in unità impiegate sul campo-senza guasti. Non è un errore di battitura.

Interruttori MEMS(sistemi micro-elettro-meccanici) prendono il concetto meccanico e lo riducono drasticamente. Piccoli specchi fabbricati su substrati di silicio o vetro utilizzando la fotolitografia possono inclinarsi per reindirizzare i raggi. Le velocità di commutazione migliorano fino ai microsecondi. Il numero dei porti può arrivare a centinaia. Ma la fabbricazione dei MEMS è complessa e i dispositivi rimangono sensibili agli urti e alle vibrazioni in modi che rendono difficile l’implementazione al di fuori degli ambienti controllati.

Interruttori termo-otticisfruttare la dipendenza dalla temperatura dell'indice di rifrazione nelle guide d'onda in silicio. Riscalda una sezione della guida d'onda con un resistore a film sottile-, modifica l'indice di rifrazione, sposta la relazione di fase in un interferometro Mach-Zehnder, reindirizza l'uscita. Il silicio ha un forte coefficiente termo-ottico-circa 1,8×10⁻⁴ K⁻¹-che rende pratico questo approccio. I tempi di commutazione sono compresi nell'intervallo dai microsecondi-ai-millisecondi. Il problema è il consumo energetico: questi riscaldatori necessitano di corrente continua per mantenere lo stato.

Interruttori elettro-otticipuò teoricamente passare in nanosecondi. Il silicio non ha effetti elettro-ottici lineari utili, quindi utilizzi l'iniezione del vettore (che aggiunge perdite) o stai esaminando materiali esotici come il niobato di litio. I modulatori LiNbO₃ esistono da prima che io nascessi-celle di Pockels, modulatori Mach-Zehnder, l'intero catalogo. Il niobato di litio a film sottile-sull'isolante sta vivendo un momento di grande attualità, con il calo delle tensioni a semionda-e il miglioramento della densità di integrazione. Ma la compatibilità CMOS rimane sfuggente.

 

E poi ci sono gli approcci più esotici: cristalli liquidi, amplificatori acusto-ottici, ottici a semiconduttore come gate, cristalli fotonici. Ognuno ha applicazioni di nicchia. Nessuna è diventata la soluzione universale.

 

 

MEMS: la tecnologia che continua ad arrivare

 

I MEMS fotonici al silicio meritano una discussione a parte perché rappresentano quello che potrebbe essere il percorso più promettente verso la commutazione ottica su larga-scala, e anche uno dei più frustranti.

La proposta è convincente: fabbricare interruttori ottici utilizzando gli stessi processi compatibili con CMOS-che producono miliardi di transistor. Sfruttare l'infrastruttura di fonderia esistente. Ottieni le riduzioni dei costi derivanti dalla produzione su scala di semiconduttori.

I ricercatori dell'UC Berkeley hanno dimostrato alcuni anni fa che è possibile costruire interruttori MEMS fotonici su wafer SOI standard da 200 mm utilizzando normali processi fotolitografici e di incisione a secco-nelle fonderie commerciali. Nessuna fase di fabbricazione esotica. Gli switch hanno funzionato: perdita di 7,7 dB da fibra-a-fibra, larghezza di banda ottica di 30 nm intorno a 1550 nm, tempi di commutazione di 50 microsecondi.

I risultati tecnici sono stati solidi. Ciò che resta impegnativo è tutto il resto.

Gli attuatori MEMS necessitano di tensioni di comando relativamente elevate-decine di volt-che complicano l'elettronica di controllo. Le strutture meccaniche devono essere rilasciate dallo strato di ossido sottostante utilizzando l'attacco con vapore HF, che aggiunge complessità al processo. L'imballaggio diventa complicato quando si ha a che fare con centinaia di porte ottiche che necessitano di un allineamento preciso con gli array di fibre. E poi c'è il piano di controllo: come coordinare il passaggio su una matrice 64×64 senza creare colli di bottiglia nella pianificazione?

Un gruppo ha recentemente pubblicato un lavoro sugli incroci di guide d'onda divise-essenzialmente MEMS-accoppiatori azionati in cui l'interruttore funziona separando o unendo fisicamente due metà di un incrocio di guide d'onda. Hanno dimostrato un array di switch Benes 64×64 con diafonia notevolmente bassa e lo hanno eseguito attraverso un miliardo di cicli di commutazione senza degrado delle prestazioni. Impressionante. Ancora non in produzione.

 

Il problema della diafonia di cui nessuno vuole parlare

 

Ecco qualcosa che tende a essere sorvolato nei materiali di marketing: le diafonia si accumulano.

In un piccolo interruttore-2×2, il crosstalk 4×4 potrebbe essere -30 dB o migliore. Accettabile. Ma i tessuti di commutazione su larga scala mettono in cascata molti elementi di commutazione elementari. Un tessuto 64×64 potrebbe avere la luce che attraversa dozzine di singoli interruttori e incroci di guide d'onda. Ognuno contribuisce con un po' di luce diffusa alla porta di uscita sbagliata.

Lo scenario peggiore-non è che il segnale di un aggressore penetri nel tuo canale vittima. Sono gli aggressori N-1 che contribuiscono tutti simultaneamente a un crosstalk coerente o incoerente. Testarlo è un incubo-dovresti illuminare tutte le porte di ingresso tranne una e misurare cosa appare dove non dovrebbe. La maggior parte dei risultati pubblicati riportano una diafonia a percorso singolo, il che è... ottimistico.

I ricercatori dell'IBM e di altri istituti hanno lavorato su progetti di diafonia ultra-bassa-, spingendo i rapporti di estinzione a -60 dB o più nelle singole celle di commutazione. Se questi numeri sopravvivranno all’adattamento a tessuti di grandi dimensioni con reali variazioni di produzione è un’altra questione.

 

Termo-ottico: il cavallo di battaglia che nessuno ama

 

Gli interruttori MZI termo-ottici non hanno il fascino. Sono lenti rispetto a quelli elettro-ottici. Bruciano energia rispetto ai MEMS. Ma funzionano, si integrano perfettamente con le piattaforme fotoniche del silicio e sono state dimostrate su larga scala.

Diversi anni fa è stato confezionato e caratterizzato un interruttore termico-ottico da 32×32 con qualcosa come 1.560 porte I/O elettriche gestite tramite collegamento di cavi BGA ceramici-. Sono tanti cavi. La gestione termica ha coinvolto substrati CuW e raffreddatori termoelettrici. Non elegante, ma funzionale.

Il consumo energetico proviene da riscaldatori resistivi che necessitano di corrente continua. Ogni sfasatore potrebbe assorbire milliwatt. Moltiplicare per centinaia o migliaia di elementi in un tessuto di grandi dimensioni e il budget termico diventa un vero e proprio vincolo. Alcuni gruppi hanno esplorato strutture di guide d'onda sospese per migliorare l'isolamento termico-meno perdite di calore nel substrato significano una risposta più rapida e una potenza inferiore-ma a scapito della fragilità meccanica.

Per le applicazioni in grado di tollerare tempi di commutazione dell'ordine di microsecondi e di gestire il carico termico, la termo-ottica rimane la scelta pragmatica. Riconfigurazione del data center, instradamento della lunghezza d'onda, test-e-misurazione-nessuno ha bisogno del passaggio ai nanosecondi per questi.

 

 

La promessa dell'elettro-ottica

 

La commutazione al nanosecondo sblocca casi d’uso che le tecnologie più lente semplicemente non possono affrontare. Commutazione ottica pacchetto-per-pacchetto. Funzionamento in modalità-burst. Allocazione dinamica della larghezza di banda che tiene traccia della domanda delle applicazioni in tempo reale.

Il silicio non aiuta qui. I suoi effetti elettro-ottici sono troppo deboli. Sono necessari diodi PIN ad iniezione di portante-(che funzionano ma aggiungono perdite e hanno velocità limitata) o materiali con coefficienti di Pockels reali.

Il niobato di litio è stato-il prodotto preferito da decenni. I coefficienti elettro-ottici sono sostanziali-r₃₃ intorno a 31 pm/V. I modulatori LiNbO₃ commerciali di Thorlabs e altri funzionano fino a 40 GHz o oltre. Il problema è sempre stato la densità di integrazione. I dispositivi sfusi al niobato di litio sono su scala centimetrica-. Le larghezze delle guide d'onda sono su scala micron-nel silicio; sono molto più grandi nel LiNbO₃ diffuso.

Il-film sottile LiNbO₃ sull'isolante cambia il calcolo. I ricercatori stanno ora dimostrando modulatori Mach-Zehnder con larghezze di banda superiori a 100 GHz e tensioni a mezza onda- inferiori a 2 V. Le impronte si stanno restringendo verso i risultati raggiunti dalla fotonica del silicio. I documenti sulla natura appaiono con regolarità.

Il problema rimane l’integrazione con il resto di un circuito fotonico. LiNbO₃ non cresce sul silicio. L’integrazione eterogenea implica legami, che aggiungono costi e complessità. La catena di fornitura per i wafer LiNbO₃ a film sottile- è nascente rispetto alla fotonica del silicio.

Ancora. Se hai bisogno di velocità, è qui che punta la fisica.

 

Cosa vogliono realmente i data center

 

Gli hyperscaler hanno requisiti specifici che non sempre sono in linea con ciò che i ricercatori accademici trovano interessante.

Vogliono che il costo per porta sia intorno ai 10 dollari. Vogliono una perdita di inserzione inferiore a 10 dB per le architetture di switch in cascata. Vogliono velocità di riconfigurazione sufficientemente elevate da tenere traccia delle matrici del traffico che cambiano in modo imprevedibile. Vogliono che l'efficienza energetica sia misurata in picojoule per bit o meglio. Vogliono numeri di affidabilità che consentano loro di implementare su larga scala senza personale di manutenzione dedicato che faccia da babysitter a ogni switch.

Gli interruttori dei circuiti ottici basati su MEMS-di aziende come Polatis sono penetrati in alcune applicazioni dei data center. I tempi di commutazione-millisecondi-sono lenti, ma per i flussi "elefante" persistenti che dominano la larghezza di banda tra-cluster, la riconfigurazione in millisecondi va bene. Non stai tentando di cambiare pacchetto-per-pacchetto; stai cercando di evitare il sovraccarico di conversione O-E-O per lo spostamento di dati in blocco.

Il sogno della commutazione di pacchetto ottico inferiore al-microsecondo rimane per lo più-un sogno. Il solo problema del piano di controllo è scoraggiante. Senza buffer ottici (che praticamente non esistono), non è possibile assorbire la contesa come fanno gli interruttori elettronici. La pianificazione deve essere perfetta. La sincronizzazione tra potenzialmente migliaia di server deve essere stretta. Alcuni gruppi di ricerca hanno dimostrato sistemi di commutazione e controllo da 40-nanosecondi-, ma la produzione è un'altra questione.

 

Acusto-Ottica: una deviazione

 

Dovrei menzionare gli interruttori acusto-ottici perché continuano ad apparire in contesti di ricerca e perché la fisica è davvero interessante anche se le applicazioni rimangono limitate.

Un modulatore acusto-ottico utilizza onde acustiche-tipicamente onde acustiche superficiali lanciate da trasduttori interdigitali-per creare un reticolo di indice di rifrazione periodico in un materiale. La luce si diffrange da questo reticolo. Controlla l'onda acustica, controlla la luce.

Ancora una volta niobato di litio: forte accoppiamento piezoelettrico per una generazione acustica efficiente, coefficienti fotoelastici decenti per l'interazione con la luce. I ricercatori hanno dimostrato modulatori AO con prodotti VπL (la cifra di merito per l'efficienza di modulazione) inferiori a 0,1 V·cm su piattaforme a film sottile-.

Le velocità di commutazione sono limitate dalla propagazione acustica-microsecondi, non nanosecondi. Le applicazioni tendono alla fotonica RF, allo spostamento di frequenza e alla commutazione Q-del laser piuttosto che al routing delle telecomunicazioni. Ma per completezza, la tecnologia esiste.

 

La questione dell'integrazione

 

Ecco cosa emerge in ogni discussione seria sulla commutazione ottica: come si adatta a tutto il resto?

Un interruttore di per sé è inutile. Hai bisogno di ricetrasmettitori, multiplexer di lunghezza d'onda, amplificatori, monitor, elettronica di controllo. Quanti più elementi si possono integrare in un singolo chip o in un singolo pacchetto, migliore sarà l'economia del sistema.

La fotonica del silicio ha un vantaggio. Fonderie come GlobalFoundries, TSMC e imec offrono kit di progettazione dei processi. Modulatori, fotorilevatori, filtri di lunghezza d'onda e routing passivo coesistono tutti sulla stessa piattaforma. L'aggiunta dell'attivazione MEMS a questo stack-come stanno facendo diversi gruppi di ricerca-potrebbe consentire interruttori che si integrano perfettamente con il resto dei circuiti fotonici.

Il niobato di litio prende una strada diversa. Il materiale può ospitare modulatori elettro-ottici, dispositivi acusto-ottici, elementi ottici non lineari e guide d'onda a bassa-perdita, tutto su un unico substrato. La cassetta degli attrezzi è probabilmente più ricca del silicio. Ma l’ecosistema produttivo è meno maturo.

I semiconduttori III-V (InP, GaAs) consentono laser e amplificatori ottici a semiconduttore che il silicio non può eguagliare. L'integrazione eterogenea-che unisce materiali diversi-potrebbe combinare il meglio di ciascuno. Oppure potrebbe semplicemente combinare le sfide di fabbricazione di ciascuno.

Nessuno ha ancora capito la formula vincente.

 

La valutazione onesta

 

La commutazione ottica è una tecnologia reale implementata in reti reali. È anche una tecnologia a cui mancano "cinque anni" per trasformare tutto da almeno vent'anni.

La fisica funziona. L'ingegneria sta avanzando. L’economia sta migliorando. Per alcune applicazioni-commutazione di protezione, connessioni incrociate di lunghezza d'onda-connessioni, multiplexing add-drop riconfigurabile, automazione dei test-gli switch ottici si sono affermati come la soluzione giusta.

Per la visione più ampia della commutazione di pacchetto ottico eliminando completamente i router elettronici? Le sfide rimangono formidabili. Complessità del piano di controllo. Mancanza di buffering ottico. Costi di produzione su larga scala. Standardizzazione tra i fornitori.

Il progresso continua. I documenti di ricerca appaiono settimanalmente. Le startup vengono finanziate. Le grandi aziende acquisiscono quelle piccole. La necessità di fondo-spostare più dati con meno energia-non scompare.

Forse questa volta i prossimi cinque anni saranno davvero diversi.