المفاتيح الضوئية: ما هي وكيف تعمل؟

 

في مجال الاتصالات ومراكز البيانات، وبشكل متزايد في أبحاث الحوسبة الكمومية، تمثل المفاتيح الضوئية تقنية ناضجة لها عقود من تاريخ النشر وجبهة نشطة حيث لا يزال الباحثون يطاردون تحسينات الأداء التي بدت مستحيلة قبل خمس سنوات.

الفجوة بين "المفهوم الواضح" و"البناء الفعلي" هي حيث تصبح الأشياء باهظة الثمن ومثيرة للاهتمام.

 

لماذا تهتم بالضوء؟

 

تعود حالة التبديل البصري إلى عنق الزجاجة المحبط الوحيد: تحويل O-E-O. في كل مرة تصل فيها إشارة ضوئية إلى مفتاح إلكتروني تقليدي، يجب تحويلها إلى إشارة كهربائية، ومعالجتها، ثم تحويلها مرة أخرى إلى فوتونات لقطاع الألياف التالي. وهذا لا يعد أمرًا غير فعال-فقط، بل أصبح غير مقبول.

تتمتع حركة مرور مراكز البيانات الحديثة بعادة سيئة تتمثل في التضاعف كل بضع سنوات. المفاتيح الإلكترونية تصطدم بالحائط. يقيس استهلاك الطاقة بشكل سيء. تعمل دوائر SerDes (جهاز التسلسل/إلغاء التسلسل) على توليد حرارة تتطلب تبريدًا شديدًا. وهناك زمن الوصول-كل O-E-O قفزة يضيف تأخير المعالجة الذي يتراكم عبر بنية شبكة متعددة-من الطبقات.

يتجنب المفتاح البصري كل هذا. يدخل الضوء، ويعاد توجيه الضوء، وينطفئ الضوء. لا يوجد تحويل. لا تفتيش الحزمة. لا يوجد تخزين مؤقت. إن سرعة-زمن وصول الضوء- هي في الأساس تأخير الانتشار عبر نسيج التبديل نفسه، والذي قد يكون صفرًا في معظم الأغراض العملية.

يبدو مثاليا. فلماذا ليس كل شيء بصري؟

 

حديقة الحيوانات المتغيرة

 

هنا حيث يصبح الأمر معقدًا. لا توجد تقنية "مفتاح بصري" واحدة. هناك تصنيف كامل للطرق، ولكل منها مقايضات مختلفة-مفيدة لتطبيقات مختلفة. الفئات الرئيسية:

 

مفاتيح ميكانيكيةتحريك العناصر البصرية فعليًا-المرايا والمنشورات ونهايات الألياف-لإعادة توجيه الضوء. الخام؟ ربما. لكن تم نشرها منذ عقود وهي تعمل. أنشأت شركة Polatis (التي أصبحت الآن جزءًا من Huber+Suhner) نشاطًا تجاريًا يعتمد على مفاتيح توجيه الشعاع ثلاثي الأبعاد- باستخدام مشغلات كهرضغطية. تعتبر هذه الأشياء بطيئة وفقًا لمعايير مراكز البيانات-يتم قياس أوقات التبديل بالمللي ثانية-لكنها موثوقة. لقد سمعت قصصًا عن عمر تشغيلي متراكم يتجاوز مليار ساعة عبر الوحدات الميدانية-المنتشرة دون حدوث أعطال. هذا ليس خطأ مطبعي.

مفاتيح MEMS(الأنظمة-الكهربائية-الميكانيكية الدقيقة) تأخذ المفهوم الميكانيكي وتقلصه بشكل كبير. يمكن للمرايا الصغيرة المصنعة على ركائز من السيليكون أو الزجاج باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية أن تميل لإعادة توجيه الحزم. تتحسن سرعات التبديل إلى ميكروثانية. يمكن أن يصل عدد المنافذ إلى المئات. لكن تصنيع الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة أمر صعب، وتظل الأجهزة حساسة للصدمات والاهتزازات بطرق تجعل نشرها خارج البيئات الخاضعة للرقابة أمرًا صعبًا.

المفاتيح الحرارية-البصريةاستغلال الاعتماد على درجة الحرارة لمؤشر الانكسار في أدلة الموجات السيليكونية. قم بتسخين جزء من الدليل الموجي باستخدام -مقاوم ذو غشاء رقيق، وقم بتغيير معامل الانكسار، وقم بتغيير علاقة الطور في مقياس تداخل ماخ-Zehnder، وأعد توجيه الإخراج. يحتوي السيليكون على -معامل بصري قوي-حوالي 1.8×10⁻⁴ K⁻¹-مما يجعل هذا الأسلوب عمليًا. تتراوح أوقات التبديل في نطاق الميكروثانية-إلى-الملي ثانية. استهلاك الطاقة هو المشكلة: تحتاج هذه السخانات إلى تيار مستمر للحفاظ على حالتها.

المفاتيح الكهربائية-البصريةيمكن نظريًا التبديل بالنانو ثانية. لا يحتوي السيليكون على تأثيرات كهروضوئية خطية-مفيدة، لذا فأنت إما تستخدم الحقن الحامل (مما يزيد الخسارة) أو تنظر إلى مواد غريبة مثل نيوبات الليثيوم. لقد كانت مُعدِّلات LiNbO₃ موجودة منذ ما قبل ولادتي-خلايا بوكلز، ماخ-مُعدِّلات زيندر، الكتالوج بأكمله. تمر نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة- على العازل بلحظة في الوقت الحالي، مع انخفاض فولتية نصف-الموجة وتحسن كثافة التكامل. لكن التوافق مع CMOS لا يزال بعيد المنال.

 

ثم هناك الأساليب الأكثر غرابة: البلورات السائلة، والمضخمات الضوئية-الصوتية، والمكبرات الضوئية لأشباه الموصلات مثل البوابات، والبلورات الضوئية. لكل منها تطبيقات متخصصة. ولم يصبح أي منها هو الحل الشامل.

 

 

MEMS: التكنولوجيا التي تستمر في الوصول تقريبًا

 

تستحق الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) الضوئية السيليكونية مناقشتها الخاصة لأنها تمثل ما يمكن أن يكون المسار الواعد نحو التبديل البصري على نطاق واسع-، كما أنه أحد أكثر الطرق إحباطًا أيضًا.

العرض التقديمي مقنع: قم بتصنيع المفاتيح الضوئية باستخدام نفس العمليات المتوافقة مع CMOS-والتي تنتج مليارات الترانزستورات. الاستفادة من البنية التحتية للمسبك القائمة. تحقيق تخفيضات في التكاليف التي تأتي مع نطاق تصنيع أشباه الموصلات.

أثبت باحثو جامعة كاليفورنيا في بيركلي قبل بضع سنوات أنه يمكنك إنشاء محولات MEMS فوتونية على شرائح SOI القياسية مقاس 200 مم باستخدام عمليات الحفر الضوئي والحفر الجاف- العادية في المسابك التجارية. لا توجد خطوات تصنيع غريبة. عملت المفاتيح: 7.7 ديسيبل من فقدان الألياف -إلى-الألياف، وعرض النطاق الترددي البصري 30 نانومتر حوالي 1550 نانومتر، و50 ميكروثانية من أوقات التبديل.

وكانت النتائج الفنية قوية. وما يظل تحديًا هو كل شيء آخر.

تحتاج مشغلات MEMS إلى جهود تشغيل عالية نسبيًا-عشرات الفولتات-مما يؤدي إلى تعقيد إلكترونيات التحكم. يجب تحرير الهياكل الميكانيكية من طبقة الأكسيد الأساسية باستخدام النقش ببخار التردد العالي، مما يزيد من تعقيد العملية. يصبح التغليف مؤلمًا عندما تتعامل مع مئات المنافذ الضوئية التي تحتاج إلى محاذاة دقيقة لمصفوفات الألياف. ثم هناك مستوى التحكم: كيف يمكنك تنسيق التبديل عبر مصفوفة 64 × 64 دون إنشاء اختناقات في الجدولة؟

قامت مجموعة مؤخرًا بنشر عمل حول تقاطعات الدليل الموجي المنقسمة-أساسًا MEMS-المقرنات المشغلة حيث يعمل المحول عن طريق فصل نصفي معبر الدليل الموجي أو ضمهما فعليًا. لقد أظهروا مجموعة مفاتيح Benes مقاس 64 × 64 مع تداخل منخفض بشكل ملحوظ وقاموا بتشغيلها خلال مليار دورة تبديل دون تدهور الأداء. بديع. لا يزال ليس في الإنتاج.

 

مشكلة الحديث المتبادل لا أحد يريد التحدث عنها

 

إليك شيء يميل إلى التغاضي عنه في المواد التسويقية: تراكم الحديث المتبادل.

في المحول الصغير-2×2، قد يكون الحديث المتبادل 4×4 -30 ديسيبل أو أفضل. مقبول. لكن أقمشة التبديل واسعة النطاق تتوالى مع العديد من عناصر التبديل الأولية. قد يحتوي النسيج مقاس 64 × 64 على ضوء يجتاز العشرات من المفاتيح الفردية ومعابر الدليل الموجي. يساهم كل واحد بقليل من الضوء الشارد في منفذ الإخراج الخاطئ.

أسوأ سيناريو-ليس هو تسرب إشارة معتدٍ واحدة إلى قناة الضحية. إنه معتدي N-1 جميعهم يساهمون في الحديث المتبادل المتماسك أو غير المتماسك في وقت واحد. يعد اختبار هذا كابوسًا-ستحتاج إلى إضاءة جميع منافذ الإدخال باستثناء منفذ واحد وقياس ما يظهر في الأماكن التي لا ينبغي أن يظهر فيها. تشير معظم النتائج المنشورة إلى تداخل أحادي المسار، وهو أمر متفائل.

لقد عمل الباحثون في شركة IBM وأماكن أخرى على تصميمات تداخلية-منخفضة جدًا-، مما أدى إلى رفع نسب الانقراض إلى -60 ديسيبل أو أفضل في خلايا التبديل الفردية. ما إذا كانت هذه الأرقام ستنجح في التوسع في الأقمشة الكبيرة مع اختلافات التصنيع الحقيقية هو سؤال آخر.

 

الحرارية-البصرية: العمود الفقري الذي لا يحبه أحد

 

لا تحظى مفاتيح MZI الحرارية- الضوئية بالبريق. إنها بطيئة مقارنة بالكهرباء-البصرية. إنهم يحرقون الطاقة مقارنة بـ MEMS. لكنها ناجحة، وتتكامل بشكل نظيف مع منصات السيليكون الضوئية، وقد تم إثباتها على نطاق واسع.

تمت تعبئة نسيج التبديل البصري الحراري - مقاس 32×32 وتميز منذ عدة سنوات بما يشبه 1,560 منفذ إدخال/إخراج كهربائي يتم التعامل معها من خلال سلك BGA الخزفي-. هذا كثير من الأسلاك. تضمنت الإدارة الحرارية ركائز CuW والمبردات الحرارية. ليست أنيقة، ولكنها عملية.

يأتي استهلاك الطاقة من تلك السخانات المقاومة التي تحتاج إلى تيار مستمر. كل ناقل طور قد يسحب ملي واط. اضرب بمئات أو آلاف العناصر في نسيج كبير وتصبح الميزانية الحرارية عائقًا حقيقيًا. لقد استكشفت بعض المجموعات هياكل الدليل الموجي المعلقة لتحسين العزل الحراري-يعني تسرب حرارة أقل إلى الركيزة استجابة أسرع وطاقة أقل-ولكن على حساب الهشاشة الميكانيكية.

بالنسبة إلى التطبيقات التي يمكنها تحمل أوقات التبديل بالميكرو ثانية ويمكنها التعامل مع الحمل الحراري، تظل البصريات الحرارية -الخيار العملي. إعادة تكوين مركز البيانات، وتوجيه الطول الموجي، والاختبار-و-القياس-لا يحتاج أحد إلى التبديل بالنانو ثانية من أجل ذلك.

 

 

وعد Electro-البصريات

 

يؤدي التبديل بالنانو ثانية إلى فتح حالات الاستخدام التي لا تستطيع التقنيات الأبطأ معالجتها. الحزمة-بواسطة-حزمة التبديل الضوئي. تشغيل وضع الاندفاع-. تخصيص النطاق الترددي الديناميكي الذي يتتبع طلب التطبيق في الوقت الفعلي.

السيليكون لا يساعد هنا. تأثيراتها الكهروضوئية-ضعيفة جدًا. أنت بحاجة إما إلى ثنائيات PIN لحقن الناقل- (والتي تعمل ولكن تضيف خسارة ولها سرعة محدودة) أو مواد ذات معاملات Pockels الحقيقية.

لقد كان نيوبات الليثيوم هو الحل الأمثل-لعقود من الزمن. تعد المعاملات الكهروضوئية - كبيرة - r₃₃ حوالي 31 مساءً / فولت. تعمل مُعدِّلات LiNbO₃ التجارية من Thorlabs وغيرها على تردد 40 جيجا هرتز أو أكثر. كانت المشكلة دائمًا هي كثافة التكامل. يبلغ قياس أجهزة نيوبات الليثيوم السائبة -سنتيمترًا. يبلغ عرض الدليل الموجي مقياس-الميكرون في السيليكون؛ إنها أكبر بكثير في LiNbO₃ المنتشر.

يغير الغشاء الرقيق -LiNbO₃ الموجود على العازل حساب التفاضل والتكامل. يعرض الباحثون الآن وحدات تعديل Mach-Zehnder بنطاقات ترددية تتجاوز 100 جيجا هرتز ونصف-موجة فولتية تحت 2 فولت. تتقلص آثار الأقدام نحو ما تحققه ضوئيات السيليكون. تظهر أوراق الطبيعة بانتظام.

ويظل التكامل مع بقية الدائرة الضوئية هو المشكلة. LiNbO₃ لا ينمو على السيليكون. يتضمن التكامل غير المتجانس الترابط، مما يزيد التكلفة والتعقيد. تعد سلسلة التوريد الخاصة برقائق LiNbO₃ الرقيقة- حديثة العهد مقارنة بضوئيات السيليكون.

ما زال. إذا كنت بحاجة إلى السرعة، فهذا هو المكان الذي تشير إليه الفيزياء.

 

ما تريده مراكز البيانات فعليًا

 

يمتلك المقياس الفائق متطلبات محددة لا تتوافق دائمًا مع ما يجده الباحثون الأكاديميون مثيرًا للاهتمام.

يريدون تكلفة لكل منفذ حوالي 10 دولارات. إنهم يريدون خسارة إدخال أقل من 10 ديسيبل لبنيات المحولات المتتالية. إنهم يريدون سرعات إعادة التشكيل بالسرعة الكافية لتتبع مصفوفات حركة المرور التي تتغير بشكل غير متوقع. إنهم يريدون قياس كفاءة الطاقة بالبيكوجول لكل بت أو أفضل. إنهم يريدون أرقام موثوقية تسمح لهم بالانتشار على نطاق واسع دون أن يقوم موظفو الصيانة المخصصون برعاية كل محول.

لقد اخترقت محولات الدوائر الضوئية المستندة إلى MEMS- من شركات مثل Polatis بعض تطبيقات مراكز البيانات. تكون أوقات التبديل -ملي ثانية-بطيئة، ولكن بالنسبة للتدفقات "الفيل" المستمرة التي تهيمن على عرض النطاق الترددي بين-المجموعة، فإن إعادة التكوين بالمللي ثانية أمر جيد. أنت لا تحاول تبديل الحزمة-بواسطة-الحزمة؛ أنت تحاول تجنب تكاليف التحويل O-E-O الإضافية لنقل البيانات المجمعة.

يظل حلم تبديل الحزم الضوئية الذي يقل عن-الميكروثانية مجرد-حلمًا. مشكلة طائرة التحكم وحدها شاقة. بدون المخازن المؤقتة الضوئية (التي لا وجود لها عمليًا)، لا يمكنك استيعاب التنافس بالطريقة التي تعمل بها المفاتيح الإلكترونية. يجب أن تكون الجدولة مثالية. يجب أن تكون المزامنة عبر آلاف الخوادم المحتملة محكمة. لقد أظهرت بعض مجموعات البحث 40-أنظمة تبديل وتحكم بالنانو ثانية-، ولكن الإنتاج مسألة أخرى.

 

الصوتيات-البصريات: تحويلة

 

يجب أن أذكر المفاتيح الصوتية-البصرية لأنها تظهر باستمرار في سياقات البحث، ولأن الفيزياء مثيرة للاهتمام حقًا حتى لو ظلت التطبيقات محدودة.

يستخدم المغير الصوتي-البصري موجات صوتية-عادةً موجات صوتية سطحية تطلقها محولات الطاقة بين الرقمية-لإنشاء محزوز معامل انكسار دوري في المادة. ينحرف الضوء عن هذا الحاجز. السيطرة على الموجة الصوتية، والسيطرة على الضوء.

نيوبات الليثيوم مرة أخرى: اقتران كهرضغطية قوي لتوليد صوتي فعال، ومعاملات مرونة ضوئية مناسبة للتفاعل مع الضوء. لقد أظهر الباحثون مُعدِّلات AO باستخدام منتجات VπL (رقم الجدارة لكفاءة التعديل) أقل من 0.1 فولت·سم على منصات الأفلام الرقيقة-.

تقتصر سرعات التبديل على الانتشار الصوتي-ميكروثانية، وليس النانو ثانية. تميل التطبيقات نحو الضوئيات الترددات اللاسلكية، وتحويل التردد، وتبديل الليزر Q- بدلاً من توجيه الاتصالات. ولكن من أجل الاكتمال، التكنولوجيا موجودة.

 

سؤال التكامل

 

إليك ما يظهر باستمرار في كل مناقشة جادة حول التبديل البصري: كيف يتناسب مع كل شيء آخر؟

التبديل في حد ذاته لا طائل منه. أنت بحاجة إلى أجهزة إرسال واستقبال ومضاعفات الطول الموجي ومكبرات الصوت والشاشات وإلكترونيات التحكم. كلما زاد عدد هذه العناصر التي يمكنك دمجها في شريحة واحدة أو في حزمة واحدة، كلما أصبحت اقتصاديات النظام أفضل.

الضوئيات السيليكون لديها السبق. تقدم المسابك مثل GlobalFoundries وTSMC وimec مجموعات تصميم العمليات. تتواجد أدوات التعديل وأجهزة الكشف الضوئي ومرشحات الطول الموجي والتوجيه السلبي على نفس النظام الأساسي. إن إضافة تشغيل MEMS إلى هذه المجموعة-كما تفعل الآن العديد من مجموعات البحث-يمكن أن يؤدي إلى تمكين المحولات التي تتكامل بسلاسة مع بقية الدوائر الضوئية.

يأخذ نيوبات الليثيوم مسارًا مختلفًا. يمكن أن تستضيف المادة وحدات تعديل ضوئية-كهربية، وأجهزة بصرية-صوتية، وعناصر بصرية غير خطية، وأدلة موجية منخفضة-منخفضة الخسارة، كلها على ركيزة واحدة. يمكن القول إن صندوق الأدوات أغنى من السيليكون. لكن النظام البيئي للتصنيع أقل نضجا.

III-أشباه الموصلات V (InP، GaAs) تعمل على تمكين المضخمات الضوئية لأشباه الموصلات وأشعة الليزر التي لا يمكن للسيليكون مطابقتها. التكامل غير المتجانس-ربط المواد المختلفة معًا-قد يجمع أفضل ما في كل منها. أو قد يجمع فقط بين تحديات التصنيع لكل منهما.

لم يكتشف أحد الصيغة الفائزة بعد.

 

التقييم الصادق

 

التبديل البصري هو تقنية حقيقية منتشرة في شبكات حقيقية. إنها أيضًا التكنولوجيا التي كانت "على بعد خمس سنوات" من تحويل كل شيء لمدة عشرين عامًا على الأقل.

الفيزياء تعمل. الهندسة تتقدم. الاقتصاد آخذ في التحسن. بالنسبة لتطبيقات معينة،-تبديل الحماية، والاتصال عبر الطول الموجي-، والإضافة القابلة لإعادة التكوين،-تعدد الإرسال، واختبار التشغيل الآلي-، أثبتت المحولات الضوئية أنها الحل الصحيح.

للحصول على رؤية أكبر لتبديل الحزم الضوئية والقضاء على أجهزة التوجيه الإلكترونية بالكامل؟ ولا تزال التحديات هائلة. التحكم في تعقيد الطائرة. عدم وجود التخزين المؤقت البصري. تكاليف التصنيع على نطاق واسع. التوحيد عبر البائعين.

التقدم مستمر. تظهر الأوراق البحثية أسبوعيا. الحصول على تمويل للشركات الناشئة. الشركات الكبيرة تستحوذ على الشركات الصغيرة. إن الحاجة الأساسية-لنقل المزيد من البيانات بطاقة أقل-لن تختفي.

ربما هذه المرة، ستكون السنوات الخمس المقبلة مختلفة حقًا.