光スイッチ: 光スイッチの概要と仕組み

 

電気通信、データセンター、そしてますます増えている量子コンピューティング研究において、光スイッチは、数十年にわたる導入の歴史を持つ成熟したテクノロジーであると同時に、5年前には不可能と思われた性能向上を研究者たちが今も追い求めている活発なフロンティアの両方を表しています。

「概念的に簡単」と「実際に構築する」との間のギャップが、物事のコストがかかり、興味深いものになる場所です。

 

なぜわざわざ光を使うのでしょうか？

 

光スイッチングの場合は、O-E-O 変換という 1 つのイライラするボトルネックに帰着します。光信号が従来の電子スイッチに到達するたびに、光信号を電気信号に変換し、処理してから、次のファイバーセグメントに向けて光子に変換し直す必要があります。これは非効率なだけではなく、-維持できなくなりつつあります。

現代のデータセンターのトラフィックには、数年ごとに倍増するという厄介な傾向があります。電子スイッチが壁にぶつかっています。消費電力の調整が不十分です。 SerDes (シリアライザー/デシリアライザー) 回路は熱を発生するため、積極的な冷却が必要です。また、レイテンシも発生します。-O-E-O ホップごとに処理遅延が追加され、多層ネットワーク アーキテクチャ全体で蓄積されます。-

光スイッチはこれらすべてを回避します。光が入り、光の方向が変更され、光が消えます。変換はありません。パケット検査はありません。バッファリングはありません。 -光の遅延-の速度は、本質的にはスイッチ ファブリック自体を通る伝播遅延であり、ほとんどの実用的な目的ではゼロと同等です。

完璧ですね。では、なぜすべてが光学式ではないのでしょうか?

 

スイッチング動物園

 

ここからが複雑になります。単一の「光スイッチ」テクノロジーは存在しません。アプローチには全体的な分類があり、それぞれのアプローチには、さまざまなアプリケーションに適したさまざまなトレードオフがあります。-主なカテゴリ:

 

メカニカルスイッチ光学要素-ミラー、プリズム、ファイバー端-を物理的に移動して、光の方向を変えます。粗野？多分。しかし、それらは何十年も導入されており、機能しています。 Polatis (現在は Huber+Suhner の一部) は、圧電アクチュエータを使用した 3D ビーム- ステアリング スイッチでビジネスを構築しました。これらはデータセンターの標準-ミリ秒単位で測定される切り替え時間-）から見ると遅いですが、信頼性は高くなります。現場に配備されたユニット全体で、アクチュエータの累積寿命が故障せずに 10 億時間を超えたという話を聞いたことがあります。-それはタイプミスではありません。

MEMSスイッチ（マイクロ-電気-システム）は機械的な概念を取り入れて、それを大幅に縮小します。フォトリソグラフィーを使用してシリコンまたはガラス基板上に製造された小さなミラーは、ビームを方向転換するために傾けることができます。スイッチング速度はマイクロ秒まで向上します。ポート数は数百に達する場合があります。しかし、MEMS の製造は難しく、デバイスは依然として衝撃や振動に弱いため、制御された環境外での展開は困難です。

熱光学スイッチ-シリコン導波路の屈折率の温度依存性を利用します。薄膜抵抗器で導波路のセクションを加熱し、屈折率を変化させ、マッハ-ツェンダー干渉計の位相関係をシフトさせ、出力をリダイレクトします。シリコンには約 1.8×10⁻⁴ K⁻¹- という強力な熱光学係数-があるため、このアプローチは実用的です。切り替え時間はマイクロ秒-～-ミリ秒の範囲になります。問題は消費電力です。これらのヒーターは状態を維持するために継続的な電流を必要とします。

電気{0}}スイッチ理論的にはナノ秒で切り替えることができます。シリコンには有用な線形電気光学効果がないため、キャリア注入（損失が追加される）を使用するか、ニオブ酸リチウムのような珍しい材料を検討することになります。- LiNbO₃ 変調器は、私が生まれる前から存在していました-ポッケルスセル、マッハ-ツェンダー変調器、そのカタログ全体。絶縁体上の薄膜ニオブ酸リチウムは現在、半波電圧が低下し、集積密度が向上しており、絶好調です。-しかし、CMOS 互換性は依然としてわかりにくいです。

 

さらに、液晶、音響光学、ゲートとしての半導体光増幅器、フォトニック結晶など、より珍しいアプローチもあります。{0}それぞれにニッチな用途があります。どれも普遍的な解決策にはなっていません。

 

 

MEMS: ほぼ実現し続けるテクノロジー

 

シリコン フォトニック MEMS は、大規模な光スイッチングへの最も有望な道であると同時に、最も困難な道でもあるため、独自に議論する価値があります。{0}

何十億ものトランジスタを大量生産するのと同じ CMOS 互換プロセスを使用して光スイッチを製造するという提案は説得力があります。-既存のファウンドリ インフラストラクチャを活用します。半導体製造規模の拡大に伴うコスト削減を実現します。

カリフォルニア大学バークレー校の研究者は、商用ファウンドリで通常のフォトリソグラフィーとドライ エッチング プロセスを使用して、標準の 200mm SOI ウェーハ上にフォトニック MEMS スイッチを構築できることを数年前に実証しました。-特別な製造ステップはありません。スイッチは機能しました: 7.7 dB のファイバ間損失、1550nm 付近の 30nm の光帯域幅、50 マイクロ秒のスイッチング時間。-

技術的な結果は堅調でした。課題として残っているのは、それ以外のすべてです。

MEMS アクチュエータは比較的高い駆動電圧{0}}数十ボルト-を必要とするため、制御電子機器が複雑になります。機械構造は、HF 蒸気エッチングを使用して下にある酸化物層から剥離する必要があるため、プロセスがさらに複雑になります。ファイバーアレイへの精密な位置合わせが必要な何百もの光ポートを扱う場合、パッケージ化は困難になります。そして、コントロール プレーンがあります。スケジューリングのボトルネックを生じさせずに、64×64 マトリックス全体での切り替えをどのように調整するのでしょうか?

あるグループは最近、分割導波管交差に関する研究を発表しました。これは、導波管交差の 2 つの半分を物理的に分離または結合することでスイッチが動作する、{0}本質的に MEMS{1}} 作動カプラです。彼らは、クロストークが著しく低い 64×64 ベネス スイッチ アレイを実証し、性能を低下させることなく 10 億回のスイッチング サイクルを実行しました。印象的な。まだ生産されていません。

 

誰も話したくないクロストーク問題

 

マーケティング資料では隠蔽されがちな点があります。それは、クロストークが蓄積することです。

小型スイッチ-2×2、4×4のクロストークは-30dB以上になる可能性があります。許容できる。しかし、大規模なスイッチ ファブリックでは、多くの基本的なスイッチング要素がカスケード接続されます。 64×64 のファブリックでは、光が数十の個別のスイッチを通過し、導波路が交差する可能性があります。それぞれが、誤った出力ポートに少量の迷光をもたらします。

最悪のシナリオは、攻撃者の信号が 1 つも被害者のチャネルに漏れないことです。- N-1 個の攻撃者がすべて同時にコヒーレントまたはインコヒーレントなクロストークを引き起こします。これをテストするのは悪夢です。-1 つを除くすべての入力ポートを照らし、表示されるべきではない部分に何が表示されるかを測定する必要があります。公開されているほとんどの結果は単一パスのクロストークを報告していますが、これは楽観的です。

IBM などの研究者は、個々のスイッチング セルの消光比を -60dB 以上にする超低クロストーク設計に取り組んできました。{0}{1}これらの数字が、実際の製造上のばらつきを伴う大規模なファブリックへの拡張に耐えられるかどうかは、別の問題です。

 

サーモ-オプティック: 誰も愛さない主力製品

 

熱光学式 MZI スイッチには魅力がありません。{0}電気-に比べて遅いです。 MEMS と比較して電力を消費します。しかし、それらは機能し、シリコンフォトニクスプラットフォームときれいに統合され、大規模に実証されています。

32×32 の熱光学スイッチ ファブリックは数年前にパッケージ化され、セラミック BGA ワイヤ ボンディングを通じて処理される 1,560 個の電気 I/O ポートなどで特性評価されました。-それはたくさんのワイヤーです。熱管理には、CuW 基板と熱電冷却器が関係していました。エレガントではありませんが、機能的です。

電力消費は、連続電流を必要とする抵抗ヒーターから発生します。各移相器はミリワットを消費する可能性があります。大きなファブリック内に数百または数千の要素が増えると、熱バジェットが実際の制約になります。一部のグループは、断熱性を向上させるために浮遊導波路構造を研究しています-基板への熱漏れが少ないということは、より速い応答とより低い電力を意味します-が、機械的な脆弱性が犠牲になります。

マイクロ秒のスイッチング時間を許容し、熱負荷に対処できるアプリケーションの場合、依然として熱光学が実用的な選択肢です。{0}}データセンターの再構成、波長ルーティング、テスト-、-測定-にはナノ秒のスイッチングは必要ありません。

 

 

電気-光学の約束

 

ナノ秒スイッチングは、遅いテクノロジーでは対処できないユースケースを可能にします。パケット-ごと-の光スイッチング。バースト-モード動作。アプリケーションの需要をリアルタイムで追跡する動的な帯域幅割り当て。

ここではシリコンは役に立ちません。その電気光学効果は弱すぎます。-キャリア注入 PIN ダイオード (機能しますが、損失が増加し、速度が制限されます) または実際のポッケルス係数を持つ材料が必要です。{3}

ニオブ酸リチウムは何十年もの間、定番となってきました。{0}電気光学係数は、約 31 pm/V でかなりの値になります。-r₃₃。当社などの市販のLiNbO₃変調器は40GHz以上で動作します。問題は常に集積密度でした。バルクのニオブ酸リチウムデバイスはセンチメートルスケールです。-導波路の幅はシリコンではミクロン-スケールです。拡散した LiNbO₃ でははるかに大きくなります。

絶縁体上の薄膜 LiNbO₃ が結石を変化させます。-研究者らは現在、100GHz を超える帯域幅と 2V 未満の半波電圧を備えたマッハツェンダー変調器の実証を行っています。{2}シリコンフォトニクスの実現に向けて、そのフットプリントは縮小しつつあります。 Nature 論文は定期的に登場しています。

光回路の残りの部分との統合は依然として問題です。 LiNbO₃ はシリコン上では成長しません。異種統合にはボンディングが含まれるため、コストと複雑さが増大します。薄膜 LiNbO₃ ウェーハのサプライ チェーンは、シリコン フォトニクスと比較すると初期段階にあります。

まだ。スピードが必要な場合は、物理学が示すところです。

 

データセンターが実際に求めているもの

 

ハイパースケーラーには、学術研究者が興味深いと考えるものと必ずしも一致しない特定の要件があります。

彼らはポートあたりのコストを 10 ドル程度にしたいと考えています。彼らは、カスケード スイッチ アーキテクチャの挿入損失を 10dB 未満にすることを望んでいます。彼らは、予測不能に変化するトラフィック マトリクスを追跡できるほど高速な再構成速度を求めています。彼らは、ビットあたりピコジュール以上で測定される電力効率を望んでいます。彼らは、専任のメンテナンス スタッフが各スイッチの世話をすることなく、大規模な導入を可能にする信頼性の数値を求めています。

ポラティスなどの企業の MEMS- ベースの光回線スイッチは、一部のデータセンター アプリケーションに浸透しています。切り替え時間-ミリ秒-は遅いですが、クラスタ間帯域幅を支配する永続的な「エレファント」フローの場合は、ミリ秒単位の再構成で問題ありません。-パケットごとに切り替えようとしているのではありません。--大量のデータ移動による O-E-O 変換のオーバーヘッドを回避しようとしているのです。

-マイクロ秒未満の光パケット交換の夢は、ほとんどが夢のままです。-コントロール プレーンの問題だけでも気が遠くなります。光バッファ (実際には存在しません) がなければ、電子スイッチのように競合を吸収することはできません。スケジュールは完璧でなければなりません。潜在的に数千のサーバー間での同期は厳密でなければなりません。一部の研究グループは 40-ナノ秒のスイッチング-および制御システムを実証しましたが、製品化は別の問題です。

 

音響-光学: 回り道

 

音響光学スイッチについて触れておきたいと思います。なぜなら、音響光学スイッチは研究の文脈で頻繁に登場し、応用範囲が限られているとしても物理学は本当に興味深いからです。

音響{0}光変調器は、音響波-通常はインターデジタル トランスデューサによって発射される表面音響波-を使用して、材料内に周期的な屈折率格子を作成します。光はこの格子で回折します。音響波を制御し、光を制御します。

再びニオブ酸リチウム: 効率的な音響生成のための強力な圧電結合、光との相互作用のための適切な光弾性係数。研究者らは、薄膜プラットフォーム上で 0.1 V・cm 未満の VπL 積 (変調効率の性能指数) を持つ AO 変調器を実証しました。-。

スイッチング速度は音響伝播によって制限されます。-ナノ秒ではなくマイクロ秒です。このアプリケーションは、通信ルーティングよりもむしろ、RF フォトニクス、周波数シフト、レーザー Q- スイッチングに向かう傾向があります。しかし、完全を期すために、このテクノロジーは存在します。

 

統合に関する質問

 

光スイッチングに関するあらゆる真剣な議論で常に話題になるのは、光スイッチングが他のすべてのものとどのように適合するのかということです。

スイッチだけでは役に立ちません。トランシーバー、波長マルチプレクサー、アンプ、モニター、制御電子機器が必要です。これらを 1 つのチップまたは 1 つのパッケージに統合できる数が増えるほど、システムの経済性が向上します。

シリコンフォトニクスは有利なスタートを切りました。 GlobalFoundries、TSMC、imec などのファウンドリはプロセス設計キットを提供しています。変調器、光検出器、波長フィルター、パッシブルーティングはすべて同じプラットフォーム上に共存します。 {{3}現在いくつかの研究グループが実施しているように、このスタックに MEMS 作動を追加すると-、残りのフォトニック回路とシームレスに統合するスイッチが可能になる可能性があります。

ニオブ酸リチウムは別の道をたどります。この材料は、電気光学変調器、音響光学デバイス、非線形光学素子、低損失導波路をすべて 1 つの基板上に配置できます。-このツールボックスはおそらくシリコンよりも豊富です。しかし、製造エコシステムはまだ成熟していません。

III-V 族半導体 (InP、GaAs) は、シリコンでは実現できない半導体光増幅器やレーザーを可能にします。異種統合により、-異なる素材を結合-すると、それぞれの長所を組み合わせることができます。あるいは、それぞれの製造上の課題を単に組み合わせただけかもしれません。

勝利の方程式はまだ誰も解明していません。

 

正直な評価

 

光スイッチングは、実際のネットワークに導入されている実際のテクノロジーです。また、少なくとも 20 年間、すべてを変革するには「5 年」かかるテクノロジーでもあります。

物理学が機能します。エンジニアリングは進歩しています。経済状況は改善しています。特定のアプリケーションでは、-保護スイッチング、波長クロスコネクト-、再構成可能なアド-ドロップ多重化、テスト自動化-光スイッチが適切なソリューションとしての地位を確立しています。

電子ルーターを完全に排除する光パケット交換という壮大なビジョンをお望みですか?課題は依然として手ごわいものです。コントロールプレーンの複雑さ。光バッファリングの欠如。大規模な製造コスト。ベンダー間の標準化。

進歩は続いています。研究論文は毎週掲載されます。スタートアップには資金が集まる。大企業が中小企業を買収します。 -より少ないエネルギーでより多くのデータを移動する-という根本的なニーズが消えることはありません。

もしかしたら今度こそ、今後5年間は本当に違うものになるかもしれない。