[论文解读] SWIFT: Scalable Ultra-Wideband Sub-Nanosecond Wavelength Switching for Data Centre Networks

Thomas Gerard, Christopher W. F. Parsonson+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2020

Optical Network Technologies参考文献 9被引用 5

一句话总结

SWIFT 提出了一种可扩展、低功耗的光交换系统，采用时间复用、AI 优化的 DS-DBR 激光器，并通过半导体光放大器（SOAs）进行门控，实现了在 6.05 THz 范围内的亚纳秒波长切换。该系统展示了 122 × 50 GHz 通道，切换时间低于 900 ps，其中最坏情况下的稳定时间达到 547 ps，通过粒子群优化实现，支持数据中心中高速、节能的光电路交换。

ABSTRACT

We propose a time-multiplexed DS-DBR/SOA-gated system to deliver low-power fast tuning across S-/C-/L-bands. Sub-ns switching is demonstrated, supporting 122$ imes$50 GHz channels over 6.05 THz using AI techniques.

研究动机与目标

• 解决数据中心网络（DCNs）中高通道数下能量高效、亚纳秒、超宽带光交换的挑战。
• 克服现有快速可调激光器和 SOA 基交换系统在通道数增加时线性扩展的局限性。
• 通过模块化、低功耗架构实现在分组级时间尺度（如 20 ns 时隙）的光电路交换（OCS）。
• 开发一种自主的、设备特定的优化框架，实现对可调激光器和 SOAs 的快速、可靠调谐。
• 展示一种实用、可扩展的解决方案，适用于下一代 DCN 架构（如 PULSE），支持高节点数和低延迟。

提出的方法

• 采用两台 DS-DBR 激光器进行时间复用，每台激光器驱动相位相差 20 ns，实现无死区的连续波长切换。
• 利用半导体光放大器（SOAs）对激光输出进行门控，生成具有精确时间控制的 20 ns 光突发脉冲。
• 应用线性回归优化对 DS-DBR 激光器的预加重信号进行优化，以最小化切换瞬态，改善上升/下降时间。
• 采用粒子群优化（PSO）自主调节 SOA 驱动信号，最小化过冲、稳定时间和上升时间。
• 集成数字相干接收机和采样示波器，在优化过程中实现实时反馈，实现闭环设备校准。
• 使用 250 MS/s 的任意波形发生器（AWGs），配合电压-电流映射和温度稳定化组件，确保稳定、可重复的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于时间复用、SOA 门控的激光系统是否能在超宽带（6.05 THz）光通道范围内实现亚纳秒级切换？
• RQ2 基于 AI 的优化方法（回归与 PSO）是否能实现激光器和 SOAs 的自主、设备特定调谐，从而实现可靠、快速的切换？
• RQ3 SWIFT 的模块化架构是否能保持与通道数无关的低功耗特性，从而实现超越现有系统的可扩展性？
• RQ4 该系统是否能支持 100G 数据中心链路所需的 20 ns 时隙粒度，同时保持频率稳定性在 ±5 GHz 以内？
• RQ5 与现有 OCS 系统相比，SWIFT 在切换速度、通道数和功耗效率方面的性能如何？

主要发现

• 通过 PSO 优化的 SOA 门控，SWIFT 实现了最坏情况下的切换时间 547 ps（稳定时间在目标值 ±5% 范围内），显著优于传统方波驱动（3.72 ns 稳定时间）。
• 该系统在 6.05 THz 范围内（1524.11–1572.48 nm）实现了 122 × 50 GHz 通道，是迄今为止单个子系统报告的最多亚纳秒切换通道数。
• 四个最困难的波长转换的切换时间分别为 771、812、521 和 792 ps，全部低于 900 ps。
• 在 20 ns 后，系统保持频率偏移在 ±4.5 GHz 以内，表明其适用于 28 GBd DP-QPSK 系统中的突发模式相干检测。
• 边模抑制比（SMSR）达到 35 dB，每通道输出光功率为 0.8 dBm，消光比为 22 dB，总输出功率超过 6 dBm。
• SWIFT 的功耗几乎不随通道数增加而变化，在通道数超过 8×50 GHz 时，功耗效率优于其他替代系统，支持可扩展部署。