[論文レビュー] Review Of Integrated Photonic Elastic WDM Switches For Data Centers

Akhilesh S. P. Khope, Anirban Samanta+3 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 78被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、データセンタ用に統合光子的弾性波分多路接続（WDM）スイッチについて包括的なレビューを提供する。主な焦点は波長選択的スイッチング（WSS）技術、電子光子統合、パッケージング技術、および波長ロック技術である。シリコンフォトニクスとIII-Vプラットフォームが、バースト性の高いワークロードに応じて帯域幅を動的に調整可能な高ポート数・再構成可能・低消費電力の光スイッチを実現することを強調している。Mach-Zehnder干渉計（MZI）、半導体増幅器（SOA）、MEMS、および波長多重型波導グレーティング（AWG）アーキテクチャを用いた8×8、32×32、および8×8×8スイッチの主要な実証例が提示されている。

ABSTRACT

In this review paper, we present an elaborate discussion on wavelength selective switches and their demonstrations. We also review packaging and electronic photonic integration of switches; a topic neglected in other review papers. We also cover wavelength locking which is paramount in switching networks with many tunable filters.

研究の動機と目的

• データセンタ応用に特化した統合光子的波長選択的スイッチ（WSS）の詳細なレビューを提供すること。
• 既存の文献においてWSSデバイスのパッケージングおよび電子光子統合について十分にカバーされていない点を補足すること。
• 温度変動が生じるデータセンタ環境において性能を維持するために不可欠な波長ロックおよび安定化技術を検討すること。
• 弾性WDMスイッチングの実現可能性と性能を評価し、データセンターネットワークにおける動的かつ再構成可能な帯域幅割り当てを可能にする。
• シリコンフォトニクスおよびハイブリッド統合プラットフォームを用いた高ポート数・チップ統合型WSSアーキテクチャにおける最近の進展を強調すること。

提案手法

• 広帯域、単一波長、および弾性／多波長選択スイッチを含む、統合光子的WSSアーキテクチャの体系的レビュー。
• Mach-Zehnder干渉計（MZI）、リングレゾネータ（MRR）、アレイド波導グレーティング（AWG）などの光集積回路（PIC）技術を用いたWSS実装の分析。
• フリップチップボンディング、セラミックインターポーザ、ファイバーリーブンアライメント、およびCMOSドライバを統合した3次元統合を含むパッケージング技術の検討。
• ファブレスファウンドリーを用いた電子光子共同統合の評価、特に寄生容量を低減するための50 µm銅ピラー技術およびオキサイド貫通ビアの活用。
• 接触なしの光子的プローブを用いたフィードバック制御、ヒーター駆動、ジッタリング、およびレゾネータ内に統合された光検出器を用いた波長ロックメカニズムのレビュー。
• FPGAおよびリアルタイムキャリブレーションアルゴリズムを用いた制御システムの検討。これにより、BenesおよびWSSトポロジーにおける動的再構成およびパワー等衡化が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合光子技術を基盤とする弾性WDMスイッチは、データセンターネットワークにおける帯域幅のスケーラビリティとエネルギー効率をどのように向上させるか？
• RQ2 高ポート数WSSデバイスのパッケージングおよび電子光子統合における主な課題と解決策は何か？
• RQ3 波長ロックおよび安定化技術は、データセンタ環境における温度変動に伴う性能低下をどのように防止するか？
• RQ4 現在の統合光子的WSSのポート数、波長数、スイッチング速度という観点での性能限界は何か？
• RQ5 3次元統合やハイブリッドCMOS-PICプロセスといった新規統合技術は、どのように高密度化と低消費電力化を実現するか？

主な発見

• フリップチップボンディングを施したチップに74ポート127 µmファイバーアレイと0.18 mmピッチ電極を備えた32×32のブロッキングなしで偏光多重性を有するWSSが実証された。
• 50 µm銅ピラー技術を用いた3次元統合により、8×8×8のSiP MEMSスイッチが実現され、高ポート数とコンactパッケージングが可能になった。
• フリップチップボンディングを用いた4×4 MZIベースのスイッチに統合型CMOSドライバを実装し、完全な電子光子統合を達成した。
• 1つのモニタ信号を用いた波長ロックにより、40°Cを超える温度範囲で安定した動作が実現され、3×20 Gb/s OOKおよび3×75 Gb/s DMT変調が達成された。
• 高ΔPLCコネクタを備えた32×32スイッチが実証され、大規模統合に向けた機械的および熱的安定性が向上した。
• FPGAベースのチューニングアルゴリズムにより、MRRのリアルタイムで遮断のないチューニングと4×4 Benesスイッチの自動キャリブレーションが可能になり、再構成性と信頼性が向上した。