[论文解读] 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 5

一句话总结

本文全面综述了数据中心用集成光子弹性波分复用（WDM）交换机，重点涵盖波长选择性交换（WSS）技术、电光集成、封装技术及波长锁定。文章强调了硅光子学与III-V平台在实现高通道数、可重构、低功耗光交换机中的作用，这些交换机可动态适应突发性工作负载的带宽需求，关键成果包括基于MZI、SOA、MEMS和AWG架构的8×8、32×32及8×8×8交换机的演示。

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.

研究动机与目标

• 提供面向数据中心应用的集成光子波长选择性交换机（WSS）的详细综述。
• 解决现有文献中对WSS器件封装与电光集成覆盖不足的问题。
• 探讨波长锁定与稳定化技术，确保在温度变化的数据中心环境中保持性能。
• 评估弹性WDM交换在实现数据中心网络中动态、可重构带宽分配方面的可行性与性能。
• 突出展示基于硅光子学与混合集成平台的高通道数、芯片集成WSS架构的最新进展。

提出的方法

• 系统性综述集成光子WSS架构，包括宽带、单波长及弹性/多波长选择性交换机。
• 分析用于WSS实现的光子集成电路（PIC）技术，如马赫-曾德尔干涉仪（MZI）、环形谐振器（MRR）及阵列波导光栅（AWG）。
• 考察封装技术，包括倒装芯片键合、陶瓷中介层、光纤束对准及与CMOS驱动器的3D集成。
• 评估使用无晶圆厂代工厂的电光协同集成，包括50 µm铜柱技术及穿氧化物通孔，以降低寄生电容。
• 综述波长锁定机制，如利用非接触式光子探针的反馈控制、加热器驱动、抖动法及谐振腔内光电探测器。
• 研究基于FPGA的控制系统与实时校准算法，用于Benes与WSS拓扑结构中的动态重构与功率均衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于集成光子学的弹性WDM交换机如何提升数据中心网络中的带宽可扩展性与能效？
• RQ2 高通道数WSS器件在封装与电光集成方面面临的关键挑战与解决方案是什么？
• RQ3 波长锁定与稳定化技术如何在温度变化的数据中心环境中维持性能？
• RQ4 当前集成光子WSS在端口数、波长数与切换速度方面的性能极限是什么？
• RQ5 新兴集成技术如3D集成与混合CMOS-PIC工艺如何实现更高密度与更低功耗运行？

主要发现

• 通过倒装芯片键合芯片实现了32×32无阻塞、偏振分集WSS，配备74通道127 µm光纤阵列与0.18 mm节距电极。
• 采用50 µm铜柱技术的3D集成实现了8×8×8 SiP MEMS交换机，实现高通道数与紧凑封装。
• 通过倒装芯片键合实现基于MZI的4×4交换机并集成CMOS驱动器，达成全电子-光子集成。
• 采用单个监控信号实现波长锁定，在超过40°C温度范围内稳定运行，支持3×20 Gb/s OOK与3×75 Gb/s DMT调制。
• 展示了采用高Δ PLC连接器的32×32交换机，显著提升大规模集成的机械与热稳定性。
• 基于FPGA的调谐算法实现了MRR的实时无中断调谐，并自动校准4×4 Benes交换机，提升可重构性与可靠性。