Bouton optik: Ki sa yo ye ak ki jan yo travay

 

Nan telekominikasyon yo, sant done, ak de pli zan pli nan rechèch informatique pwopòsyon, switch optik reprezante tou de yon teknoloji ki gen matirite ak dè dekad nan istwa deplwaman ak yon fwontyè aktif kote chèchè toujou kouri dèyè amelyorasyon pèfòmans ki te sanble enposib senk ane de sa.

Diferans ki genyen ant "konseptyèlman senp" ak "aktyèlman bati yon sèl" se kote bagay yo vin chè ak enteresan.

 

Poukisa deranje ak limyè?

 

Ka a pou chanje optik vini nan yon sèl, fwistre kou boutèy: O-E-O konvèsyon an. Chak fwa yon siyal optik frape yon switch elektwonik konvansyonèl, li dwe konvèti nan yon siyal elektrik, trete, Lè sa a, konvèti tounen nan foton pou pwochen segman fib la. Sa a se pa sèlman inefikas-li ap vin enkapab.

Trafik modèn sant done gen yon move abitid double chak kèk ane. Switch elektwonik yo frape yon miray. Konsomasyon pouvwa balanse mal. Sikui SerDes (serializer/deserializer) jenere chalè ki mande refwadisman agresif. Epi gen latansi a-chak O{-E{-O hop ajoute reta nan pwosesis ki akimile atravè yon achitekti rezo milti-niveau.

Yon switch optik evite tout bagay sa yo. Limyè antre, limyè vin redireksyon, limyè soti. Pa gen konvèsyon. Pa gen enspeksyon pake. Pa gen tanpon. Vitès --latansi limyè a se esansyèlman reta pwopagasyon nan twal switch la li menm, ki pou pifò rezon pratik ta ka tou zewo.

Son pafè. Se konsa, poukisa se pa tout bagay optik?

 

Sou entènèt jwèt Chanje Zoo a

 

Isit la se kote li vin konplike. Pa gen yon sèl "optik switch" teknoloji. Genyen yon taksonomi antye nan apwòch, yo chak ak diferan komès-ki gen sans pou aplikasyon diferan. Gwo kategori yo:

 

Chanjman mekanikdeplase fizikman eleman optik-miwa, prism, pwent fib-pou redireksyon limyè. Brit? Petèt. Men, yo te deplwaye pou dè dekad epi yo travay. Polatis (kounye a yon pati nan Huber + Suhner) te konstwi yon biznis sou 3D gwo bout bwa-switch volan lè l sèvi avèk actuators piezoelectric. Bagay sa yo ralanti dapre estanda sant done yo-tan chanjman yo mezire an milisgond-men yo fyab. Mwen tande istwa sou lavi aktè akimile ki depase yon milya èdtan atravè inite-deplwaye yo san echèk. Sa se pa yon typo.

MEMS switch(sistèm mikwo-elektwo-mekanik) pran konsèp mekanik la epi redwi li dramatikman. Ti miwa ki fabrike sou substrat Silisyòm oswa vè lè l sèvi avèk fotolitografi ka panche pou redireksyon travès. Vitès chanjman yo amelyore nan mikrosgond. Konte pò yo ka rive nan plizyè santèn. Men, fabwikasyon MEMS se fini, ak aparèy yo rete sansib a chòk ak Vibration nan fason ki fè deplwaman deyò anviwònman kontwole difisil.

Bouton tèmo-optikeksplwate depandans tanperati endèks refraktif nan gid ond Silisyòm. Chofe yon seksyon nan gid ond ak yon rezistans fim mens-, chanje endèks refraktif la, chanje relasyon faz nan yon entèferomèt Mach-Zehnder, redireksyon pwodiksyon an. Silisyòm gen yon koyefisyan tèrmo-optik-apeprè 1.8×10⁻⁴ K⁻¹{-ki fè apwòch sa a pratik. Chanje tan yo ateri nan seri mikwosgond-a-milisgond. Konsomasyon pouvwa se trape la: aparèy chofaj sa yo bezwen kouran kontinyèl pou kenbe eta.

Bouton elektwo-optikka teyorikman chanje nan nanosegond. Silisyòm pa gen efè elektwo-optik lineyè itil, kidonk w ap swa itilize piki konpayi asirans (ki ajoute pèt) oswa w ap gade materyèl ekzotik tankou niobat ityòm. Modilatè LiNbO₃ yo egziste depi anvan mwen te fèt -selil Pockels, modulatè Mach-Zehnder, tout katalòg la. Mens -fim ityòm niobat sou izolatè gen yon ti moman kounye a, ak mwatye-tansyon vag ap tonbe ak dansite entegrasyon amelyore. Men, konpatibilite CMOS rete flotant.

 

Apre sa, gen apwòch ki pi ekzotik: kristal likid, acousto-optik, anplifikatè optik semi-conducteurs tankou pòtay, kristal fotonik. Chak gen aplikasyon pou nich. Okenn te vin solisyon inivèsèl la.

 

 

MEMS: Teknoloji a ki kontinye prèske rive

 

Silisyòm fotonik MEMS merite pwòp diskisyon li paske li reprezante sa ki ta ka pi pwomèt chemen an nan gwo -switch optik echèl, epi tou youn nan pi fwistre.

Anonsman an se konvenkan: fabrike switch optik lè l sèvi avèk menm pwosesis CMOS-konpatib ki bay plizyè milya tranzistò. Swiv enfrastrikti fondasyon ki egziste deja. Reyalize rediksyon pri ki vini ak echèl fabrikasyon semi-conducteurs.

Chèchè UC Berkeley yo te demontre kèk ane sa yo ou te kapab konstwi switch MEMS fotonik sou plak SOI estanda 200mm lè l sèvi avèk fotolitografi ak pwosesis grav-sèk nan fondri komèsyal yo. Pa gen etap fabrikasyon ekzotik. Bouton yo te travay: 7.7 dB fibre -a-fib pèt, 30nm Pleasant optik alantou 1550nm, 50 mikrosgond chanje fwa.

Rezilta teknik yo te solid. Sa ki rete defi se tout lòt bagay.

Aktuateur MEMS bezwen vòltaj kondwi relativman wo -dè dizèn volts-ki konplike elektwonik kontwòl la. Estrikti mekanik yo dwe lage nan kouch oksid kache lè l sèvi avèk grave vapè HF, ki ajoute konpleksite pwosesis. Anbalaj vin douloure lè w ap fè fas ak dè santèn de pò optik ki bezwen aliyman presizyon nan etalaj fib. Apre sa, gen plan kontwòl la: ki jan ou kowòdone chanje atravè yon matris 64 × 64 san yo pa kreye kou boutèy orè?

Yon gwoup te pibliye dènyèman travay sou travèse gid ond divize-esansyèlman MEMS-akouple kouple kote switch la opere nan separe fizikman oswa rantre nan de mwatye nan yon travèse gid ond. Yo te demontre yon etalaj switch Benes 64 × 64 ak diafonis konsiderableman ba epi yo te kouri li atravè yon milya sik switch san degradasyon pèfòmans. Enpresyonan. Toujou pa nan pwodiksyon.

 

Pwoblèm Crosstalk pèsonn pa vle pale sou

 

Isit la nan yon bagay ki gen tandans jwenn glossed sou nan materyèl maketing yo: crosstalk akimile.

Nan yon ti switch -2 × 2, 4 × 4-crosstalk ta ka -30dB oswa pi bon. Akseptab. Men, gwo-echèl twal switch kaskad anpil eleman switch eleman. Yon twal 64 × 64 ta ka gen limyè travèse plizyè douzèn switch endividyèl ak travèse waveguide. Chak moun kontribye yon ti kras nan limyè pèdi nan pò a pwodiksyon mal.

Pi move-ka a se pa yon sèl siyal agresè ki koule nan kanal viktim ou. Se N-1 agresè yo tout k ap kontribye nan diafonis aderan oswa enkoyeran an menm tan. Tès pou sa a se yon kochma-ou ta bezwen eklere tout pò antre eksepte youn epi mezire sa ki parèt kote li pa ta dwe. Pi fò rezilta pibliye rapòte diafonie yon sèl chemen, ki se... optimis.

Chèchè nan IBM ak lòt kote yo te travay sou konsepsyon ultra-ba-crosstalk, pouse rapò disparisyon a -60dB oswa pi bon nan selil switching endividyèl yo. Si nimewo sa yo siviv dekale nan twal gwo ak varyasyon fabrikasyon reyèl se yon lòt kesyon.

 

Thermo-Optic: Workhorse Okenn moun pa renmen

 

Thermo-optik MZI switch pa jwenn ekla a. Yo ralanti konpare ak elektwo-optik. Yo boule pouvwa konpare ak MEMS. Men, yo travay, yo entegre pwòp ak platfòm Silisyòm fotonik, epi yo te demontre yo nan echèl.

Yon twal 32 × 32 tèmo-optik switch te pake ak karakterize plizyè ane de sa ak yon bagay tankou 1,560 pò I/O elektrik okipe atravè lyezon BGA seramik-. Sa se anpil fil. Jesyon tèmik la enplike substrats CuW ak glasyè tèrmoelektrik. Pa elegant, men fonksyonèl.

Konsomasyon pouvwa a soti nan aparèy chofaj rezistans ki bezwen kouran kontinyèl. Chak chanjman faz ta ka trase miliwatt. Miltipliye pa dè santèn oswa dè milye de eleman nan yon twal gwo ak bidjè a tèmik vin tounen yon kontrent reyèl. Gen kèk gwoup ki te eksplore estrikti sispansyon gid ond yo pou amelyore izolasyon tèmik -mwens chalè ki koule nan substra a vle di repons pi rapid ak pi ba pouvwa-men nan pri a nan frajilite mekanik.

Pou aplikasyon ki ka tolere tan pou chanje mikwosgond epi ki ka jere chaj tèmik, tèrmo-optik rete chwa pragmatik la. Rekonfigirasyon sant done, wout longèdonn, tès-ak-mezi-pèsonn pa bezwen chanjman nanosgond pou sa yo.

 

 

Pwomès Elektwo-optik la

 

Nanosecond switch debloke ka itilize ke teknoloji pi dousman tou senpleman pa ka adrese. Pake-pa-pake chanje optik. Operasyon mòd pete-. Alokasyon Pleasant dinamik ki swiv demann aplikasyon an tan reyèl.

Silisyòm pa ede isit la. Efè elektwo-optik li yo twò fèb. Ou bezwen swa carrier-pin dyod PIN piki (ki travay men ajoute pèt epi ki gen vitès limite) oswa materyèl ki gen koyefisyan Pockels reyèl.

Lityòm niobat se moun ki ap fè -pou plizyè dizèn ane. Koefisyan elektwo-optik yo se sibstansyèl-r₃₃ alantou 31 pm/V. Modilatè Komèsyal LiNbO₃ soti nan Thorlabs ak lòt moun opere nan 40GHz oswa pi lwen. Pwoblèm lan te toujou dansite entegrasyon. Aparèy niobat ityòm yo se yon echèl santimèt-. Lajè Waveguide yo se mikron{11}}echèl nan Silisyòm; yo pi gwo nan LiNbO₃ difize.

Mens -fim LiNbO₃ sou izolan chanje kalkil la. Chèchè yo kounye a demontre modulatè Mach-Zehnder ak bandwidth ki depase 100GHz ak mwatye-onn vòltaj anba 2V. Anprent pye yo ap retresi nan sa fotonik Silisyòm reyalize. Papye nati yo parèt ak regilarite.

Entegrasyon ak rès yon sikwi fotonik rete pwoblèm nan. LiNbO₃ pa grandi sou Silisyòm. Entegrasyon etewojèn enplike lyezon, ki ajoute pri ak konpleksite. Chèn ekipman pou wafers -fim mens LiNbO₃ se naissant konpare ak fotonik Silisyòm.

Toujou. Si ou bezwen vitès, sa a se kote fizik la pwen.

 

Ki sa sant done yo aktyèlman vle

 

Hyperscalers yo gen kondisyon espesifik ki pa toujou aliman ak sa chèchè akademik yo jwenn enteresan.

Yo vle pri pou chak pò alantou $ 10. Yo vle pèt ensèsyon anba 10dB pou achitekti switch kaskad. Yo vle vitès rekonfigirasyon ase vit pou swiv matris trafik ki chanje enprevizib. Yo vle efikasite pouvwa mezire an pikojoules pou chak ti jan oswa pi bon. Yo vle nimewo fyab ki pèmèt yo deplwaye nan echèl san yo pa anplwaye antretyen devwe ki okipe chak switch.

MEMS-switch optik sikwi ki baze sou konpayi tankou Polatis te rantre nan kèk aplikasyon sant done. Tan chanjman yo-milisgond- dousman, men pou koule "elefan" ki pèsistan ki domine lajè bande entè-grap, rekonfigirasyon milisgond yo bon. Ou pa eseye chanje pake-pa-pake; w ap eseye evite sou tèt konvèsyon O-E-O pou mouvman done an gwo.

Rèv pou chanje pake optik sub-mikwosegond rete sitou sa-yon rèv. Pwoblèm nan avyon kontwòl pou kont li se redoutable. San tanpon optik (ki pa pratikman egziste), ou pa ka absòbe diskisyon fason switch elektwonik yo fè. Orè yo dwe pafè. Senkronizasyon atravè potansyèlman dè milye de serveurs dwe sere. Gen kèk gwoup rechèch ki demontre sistèm 40-nanosecond switch-ak kontwòl, men pwodiksyon se yon lòt pwoblèm.

 

Acousto-Optik: Yon Detou

 

Mwen ta dwe mansyone switch acousto-optik paske yo kontinye parèt nan kontèks rechèch, epi paske fizik la vrèman enteresan menm si aplikasyon yo rete limite.

Yon modulatè acousto-optik sèvi ak onn acoustic-tipikman onn acoustic sifas lanse pa transducteur entèdijital-pou kreye yon griyaj endèks refraktif peryodik nan yon materyèl. Limyè difraksyon sou griyaj sa a. Kontwole vag acoustic la, kontwole limyè a.

Niobat ityòm ankò: fò kouple piezoelectric pou jenerasyon efikas acoustic, koyefisyan fotoelastik desan pou entèraksyon ak limyè. Chèchè yo te demontre modulatè AO ak pwodwi VπL (figi merit pou efikasite modulasyon) anba 0.1 V·cm sou platfòm fim mens-.

Vitès chanjman yo limite pa pwopagasyon acoustic-mikwosegond, pa nanosgond. Aplikasyon yo gen tandans nan direksyon fotonik RF, chanjman frekans, ak lazè Q-chanje olye ke wout telecom. Men, pou konplè, teknoloji a egziste.

 

Kesyon Entegrasyon an

 

Men sa ki kontinye ap vini nan chak diskisyon serye sou switch optik: ki jan li anfòm ak tout lòt bagay?

Yon switch pou kont li se initil. Ou bezwen transceivers, multiplexeurs longèdonn, anplifikatè, monitè, elektwonik kontwòl. Plis nan sa yo ou ka entegre sou yon sèl chip oswa nan yon pake sèl, se pi bon ekonomi sistèm lan vin.

Silisyòm fotonik gen yon tèt kòmanse. Fonderie tankou GlobalFoundries, TSMC, ak imec ofri twous konsepsyon pwosesis. Modilatè, fotodetektè, filtè longèdonn, ak routage pasif tout coexist sou menm platfòm la. Ajoute aksyon MEMS nan pil sa a-jan plizyè gwoup rechèch ap fè kounye a-ta ka pèmèt switch ki entegre san pwoblèm ak rès sikwi fotonik la.

Niobat ityòm pran yon chemen diferan. Materyèl la ka òganize elektwo-modilatè optik, aparèy acousto-optik, eleman optik ki pa lineyè, ak gid ond ki ba-pèt tout sou yon sèl substra. Bwat zouti a se san mank pi rich pase Silisyòm. Men, ekosistèm fabrikasyon an gen mwens matirite.

III-V semi-conducteurs (InP, GaAs) pèmèt semi-conducteurs optik anplifikatè ak lazè ke Silisyòm pa ka matche. Entegrasyon eterojèn-lyezon diferan materyèl ansanm-ta ka konbine pi bon nan chak. Oswa li ta ka jis konbine defi yo fabrikasyon nan chak.

Pa gen moun ki te kalkile fòmil genyen an ankò.

 

Evalyasyon onèt la

 

Chanjman optik se teknoloji reyèl deplwaye nan rezo reyèl. Li la tou teknoloji ki te "senk ane lwen" nan transfòme tout bagay pou omwen ven ane.

Fizik la ap travay. Jeni a ap avanse. Ekonomi yo ap amelyore. Pou sèten aplikasyon -pwoteksyon chanje, longèdonn kwa-konekte, rekonfigurab ajoute-gout multiplexage, tès automatisation-optik switch yo te etabli tèt yo kòm bon solisyon an.

Pou vizyon pi gwo nan switch optik pake elimine routeurs elektwonik antyèman? Defi yo rete formidable. Konpleksite avyon kontwòl. Mank tanpon optik. Depans fabrikasyon nan echèl. Normalisation atravè fournisseurs.

Pwogrè ap kontinye. Papye rechèch parèt chak semèn. Startup yo jwenn finansman. Gwo konpayi yo jwenn ti. Bezwen ki kache-deplase plis done ak mwens enèji-p ap disparèt.

Petèt tan sa a, senk ane kap vini yo reyèlman pral diferan.