FOTONİK TEKNOLOJİ DE DEVRİMSEL GELİŞMELER

Transkript

1 FOTONİK TEKNOLOJİ DE DEVRİMSEL GELİŞMELER Dr. İbrahim Cahit Arkut 1 Özet Teknolojik gelişmeler yaşamımızı doğrudan etkileyen buluşları istatiksel olarak her yüzyılda bir iki kez karşımıza çıkarmaktadır. Örneğin geçen yüzyılda tranzistorun bulunması ve atomun bölünebilmesini gösterebiliriz. Daha henüz yirmibirinci yüzyılın başındayız ve bizleri doğrudan etkileyecek yeni buluşların yolda olduğunu görüyoruz. Yazımızda bunlardan bir tanesi, belki de en önemlisi, olan fotonik teknolojilerdeki bazı gelişmelere değineceğiz. Bu konuyu seçmemdeki amaç yalnız elektronikteki gelişmeler üzerine yazıların çıktığı EMO Bilim dergisinin yayım politikasına uygunluk ve büyük olasılıkla gelecekte elektronik teknolojisini ikame edecek olması değil, aynı zamanda fotonikteki gelişmelere büyük katkılar koymakta olan Türk ve Yunan bilim adamlarının bulunmasıdır. Özellikle günlük basında ışığı hapseden genç diye bilinen türk bilim adamı Mehmet Fatih Yanık ın fotonikteki temel çalışmalarına ve Antonios Hatiziefrenides ve meslekdaşlarının gerçekleştirdiği 10 G/sn hızlardaki optik paket anahtarlama teknolojilerini açıklayacağız. Yazımızın son bölümünde yazarın daha önceleri önerdiği fotonik ve optiksel mimariye uygun ağ tasarımlarına bu yeni gelişmelerin nasıl uyarlanabilineceğini irdeleyeceğiz. Fotonik Elemanlar 2 Uzun yıllar boyunca araştırmacılar yüksek hızlı, düşük-güçlü fakat elektriksel işaretler yerine ışıkla çalışan çip üretmeğe çalışılmış, fakat ışık darbelerini nasıl depolanacağının yolu bir türlü bulunamamıştı. Geçtiğimiz yılda Mehmet Fatih Yanık (Stanford) ve arkadaşları normal koşullar altında fotonik kristal (düzgün aralıklarla açılmış delikler içine değişik malzeme konmuş yarı-iletgen çip) kullanarak ışık darbelerini depolamanın pratik yolunu bulduğunu açıkladılar. Bu yöntemle quantum seviyesindeki ışık darbelerini bir tuz zerresi büyüklüğüne depolamayı ve ekonomik olarak tüm optik iletişim anahtarlama modülleri, quantum bilgisayarları ve quantum iletişim elemanlarının entegrasyonunu mümkün kılmakta. Dahası dalgaboyuları ve bandgenişliği için gerekli tasarımlar bilinen mikro-çip teknolojilerinde olduğu gibi standart litografik tekniklerle gereçekleştirlebilinecek. Ayrıca yöntem ışık darbelerini çip içine ışıksal elemanlar (ayna, cam vs) kullanmadan oda sıcaklığında depolanmasına olanak sağlıyor. Araştırmacıların buluşu bilinen optiksel rezonatörlere (ışık frekanslarında titreşen ve ışığı sınırlı oranda yavaşlatan küçük yapılar) karşın iletişimde kullanılan dalgaboyu 1.55 mikron ve 10 gigabit/sn de ışık darbelerine boşlukta 1/100 den az olmayan yavaşlatmayı sağlamaktadır. Geliştirilen ve ışığın fotonik kristal içinden geçerken değişmesini sağlayan (--on the fly--) teknikle bandgenişliğini limitsiz biçimde sıkıştırmanın yolu bilinen optoelektronik yöntemlerle bulunmuştur. Yapılan 1 Girne Amerikan Üniversitesi ve Lyon Üniversitesi (Fransa), ( iarkut@gau.edu.tr). 2 Bu kısımda M.F. Yanık ın (a) Switch promises optical light, TRN The Latest Technology Research News, Kasım 2003, (b) Stop light on a chip, Focus Physical Review, 27 Şubat 2004 ve (c) Light-storing chip charted, TRN, Şubat 2004 verdiği mülakatlardan yararlanılmıştır.

2 similasyonlara göre her saniye için ışık darbelerinde 10 santimetrelik yavaşlatma sağlamakta ve saniyenin küçük bir kesrine karşı düşen depolamayı ışık darbesine yaptırmaktadır. Bu kısa süreli depolama ise yüksek hızlı iletişim ortamında ışıksal işaretlerin anahtarlanması veya quantum hesaplamasında işlemlerin ışık fotonları ile yapılması için yeterli olmaktadır. Işık kontrollu çip tasarımında fotonik kristal üzerine açılan delikler (seri optik rezonatörler ve boşluklar) ışığın uygun kırılmasını veya bükülmesini sağlar. Deliklerin sınırları ışığın kırılaması ile ilgili olup; delikler arasında uzaklıklar ise verilen dalgaboyu için ışığın ne kadar büküleceğini belirler. Bu şekilde dalgaboylarının kristal içinden geçişi veya engellenmesi sağlanmış olur. Bu şekilde tasarlanmış çipte mikroboşluğun rezonans frekansını değiştirerek ışık darbesinin kısa süreli tutulmasını sağlanır. Belli bir frekansta dalga klavuzunun rezonansı ve aynı zamanda yan boşlukların ayar dışı kalması ile ışık darbesi kristal çipe girmesi sağlanır. Darbe bir kez içeri girmekle klavuz düzgün olarak fakat çok yüksek hızda yan boşlukların rezonans ayarından çıkarken ışık darbesi frekansına ayarlanır. Bu ise darbenin içeri kapatılması (hapsedilmesi) anlamına gelir. Tersine ayar ve ayardan çıkma işlemi ışık darbesinin (gecikmeli olarak) salıverilmesini ve cihaz içinde yoluna devamını sağlar. Burada önemli olan ışık darbesinin şeklinin bozulmaması veya şeklinin korunmasını sağlayan fotonik kristal kırılma endeksine ayarlanmasıdır. Işık darbeleri birçok dalgaboylarını taşıdığından ve dalgaboyuları darbe cihaz içerisinden geçerken değişik oranlarda bükülürler. Bu ise darbenin ışığının cihaz içine saçılması ve malzeme içinde gidilecek mesafeyi sınırlamasına neden olur. Dalga boyu saçılmasının diğer bir dezavantajı ise yavaşlatılacak ışık darbelerinin sayısına bir sınırlama getirmesidir. Getty Images Şekil 1. Işıksal Bilgisayar. Bilgisayar similasyonlarına göre ışık işaretleri çipe depolanabilecek. Bu tipten bir eleman günümüzde kullanılan kişisel bilgisayarlarda elektron durumları yerine quantum durumlarının ışık darbelerine göre işlemler yapabilecek. Yanık ve grubu darbenin şeklinin bozulmadan darbeye ilişkin tüm dalgaboylarındaki frekansta cihaz kırılma endeksine ayarlı uygun geçişi sağlamışlardır. Maximum bir gigahertzte değişen ve 120 mikroboşluktan oluşan kristal ile ışık darbelerinin depolanıp serbest bırakılması sağlanmıştır. Bu ayni zamanda (paralel) birçok ışık darbesinin isteğe bağlı olarak depolamaya veya serbest bırakılmaya olanak tanımaktadır. Yanık a göre bu teknik yalnız ışık darbelerini değil ayni zamanda mikrodalga işaretlerini, ultra-ses dalgalarını ve hatta yerçekimi (gravitasyonel) dalgaları yavaşlatıp ve depolamaya olanak sağlayacaktır. R.

3 Chiao (Berkeley) ye göre Yanık yöntemi daha önce atom seviyesinde yapılmaya çalışılan benzer işlemlerin mikroboşluklar seviyesinde yapılmasından çok daha uzun bandgenişlikler için ışığın durdurulmasını sağlamaktadır. Yanık ve araştırma arkadaşı S. Fun yapılan çalışmaların pratik meyvelerini bir iki yıl içinde alınabileceğini belirtmektedirler [1],[2]. Şekil 3. 2x2 Optik Anahtar Şekil 2. Fotonik kristal çapraz dalga klavuzu anahtarlamada elektrik alan dağılımları. (a) Kontrol giriş P iny yok ve işaret çıkış P outx düşük. (b) Kontrol giriş P iny var ve işaret çıkış P outx yüksek. Küçük halkalar dielektrik sütunları göstermektedir. Yanık ın yaptığı çalışmaların faydaları yukarda anlatıklarımızla sınırlı kalmamaktadır. Optiksel anahtarlama modülü ile bilgisayar çiplerinin uyumlu çalıştırılması elektronikte looming problem diye bilinen soruna da çözüm getirmektedir. Elektronik devreler daha hızlı çalıştırıldıkça çip içindeki işareti bir uçtan diğer uca taşımaya sırnırlama gelir. Burada çözülmesi gereken zor sorun optiksel anahtarlar bilgisayar çiplerine entegre edildiği zaman optik anahtarlama elemanları yeter derecede küçük olduklarından kontrol olağan optik elemanlarda olduğu gibi elektriksel olarak değil ışıksal olarak kontrol edilebilmeleri gerektirir. Optik transistor tasarımcıları birkaç micron genişlik ve anahtarlama elemanında, ondan küçük yapıları gerçekleştirmeyi planlamaktadırlar. Bu ise bugün kullanılan optiksel elemanlardan son derece küçük ve ayni işlevi yapan elektronik entegrasyon için kullanılan boyutlar seviyesindedir. Yeni tipten optiksel anahtarlama modülleri (Bak. Fotonik anahtarlama) bir kaç bin watt lık güç kullanmakta ve telekomünikasyonda kullanılan fiber optik kablolardaki düşük-güçlü optik darbeleri doğrudan anahtarlmaya müsait olmaktadır. Günümüzde direk anahtarlama yapılmamakta ve optik-elektronik veya tersi dönüştürücüler kullanılmaktadır. Küçük boyutla ve düşük güçle çalışan optik anahtarlar bu tipten bir çok elemanları tek bir optiksel çipin içine entegre edilmesine olanak sağlayacaktır. Entegrasyon yalnız üretim kolaylığı ve tasarım

4 esnekliği getirmeyecek bu tip modullerle yapılan tasarımlar benzerlerine göre daha yüksek performans vereceklerdir (Bak. Fotonik ağlar). Optik transistor yapı olarak çok basittir. Aralarında kesişim notasındaki silindir şeklindeki sütunun iki dalga klavuzu ile dikey kesişmesi ile oluşmaktadır. Sütunun dalga klavuzu ile kesişmesi anahtarlama fonsiyonunu sağlar. Gelen ilk ışık darbesinin diğer uca geçmesi için sütun diğer uca doğru geçişi sınırlar. Yanık a göre entegre edilmiş bu tipten optik taransistörler iki ile beş yıl arasında var olan üretim teknikleri ile ticari amaçlı üretilebileceklerdir.. İletişimde Fotonik 3 İletişim sahasında son on yılda büyük adımlar atılmış ve daha önceleri ancak elektronik elemanlarla gerçekleştirilen devreler yerine fotonik elemanların yer almakta olduğunu görüyoruz. Örneğin optiksel çapraz bağlayıcılar (OCX), yoğun dalgaboyu sayısal çoklayıcılar DWDM ve daha birçok ağ elemanları optik teknoloji ile gerçekleştirilmektedir. Özellikle OCX tasarımlarında hareketli mikro aynaların kullanıldığı MEM teknolojisi ile optik-elektronik veya elektronik-optik dönüştürücüleri kullanmadan tasarlanan optiksel çapraz bağlayıcılara rastlamaktayız. Bununla beraber birçok teorik ve pratik tasarım sorunu cevap beklemektedir. Bu bölümde üzerinde yoğun araştırmaların yapıldığı ve optiksel hızlarda (10 Gbit/sn ve yukarısı) veri paketlerinin 2x2 bağlantı (anahtarlama) elemanından geçirilirken paket başlığının ayırılması veya değiştirilmesinin optiksel ortamda nasıl yapıldığına değineceğiz. Bu konudaki çalışmalar başarı ile A. Hatiziefrenides ve grubu tarafından laboratuar ortamında gerçekleştirilmiştir [3]. Kısaca kurulan düzen iki üniteden oluşmakta ve ilk ünitede kullanılan Fabry-Perot filtresi ve Ultrafast Nonlineer Interferometer (UNI) ile paket saat düzeltilmesi ve ikinci ünitede düzeltilen saat paketleri optik kontrollu 2x2 Exchange Bypass Switch (Çapraz Düz Anahtar)la UNI kapısı ayarlanmaktadır. Bu yapı ile sabit gecikmelerle, veri paketleri ve lokal olarak üretilen veri paket başlıkları 2x2 anahtarı besleyerek başlık değişim işlemini yapmaktadırlar. Yukarda özetlenen işlem oldukça karmaşık, fakat aslında optiksel paket anahtarlamada (OPS) ağ seviyesinde verimli bandgenişliği elde etmek için gereklidir. Özellikle bu sorunun çözümü eşzamansız (asekron) değişken uzunluklu paket trafığinin ağ içerisinde oldukça akıllı biçimde yönlendirilebilmesi için paket başlığının ağ düğümünde elektronik ortama indirilmeden değiştirlmesi ve ağdaki bir sonraki düğüme trafikte tıkanıklık oluşturmadan gönderilmesi için gerekir. Optik paketlerin proseslerinde ortaya çıkan bir diğer önemli sorun optiksel ortam ile elektronik ortam arasındaki adaptasyon sorunlardır. İlk bölümde Yanık tarafından önerilen fotonik kristal elemanları ile bu sorun tümden çözümlenmiş olacaktır. Fakat günümüzdeki pratik tasarımlarda bu sorunların üstesinden gelmek için çok kısa veya uzun boyutlu geçici depolama elemanları (buffers) optik fiber tüpleri ile gerçekleştirilmesi son derece zordur. Diğer bir yol ise ağ düğümünde sorunlu olan pakete tek bir düğüm çevrim sayısı için ikinci şans vermektir. Başka bir deyişle eğer ağ düğümüne gelen optik paket her hangi bir nedenle çıkış kapısına veya linkine yönlendirilemiyorsa tek çevrimli bir gecikme ile geldiği kapıya döndürülerek çok kısa gecikme ile çıkış kapısına tekrar yönlendirilmeye çalışılır. Biz bu işleme optik veri paketine ikinci şans verilmesi diyoruz. Optiksel ağlarda paketlere ikinci şans verilmesi bile optik depolama problemi dolayısıyle onun yerine normal dağılmış ağ 3 Bu kısım A.Hatiziefrenides ve grubunun geliştidiği 10 Gbit/sn ve daha yüksek hızlarda değişken uzunluklu optik darbe paketlerini anahtarlama teknolojisine dayanmaktadır [3].

5 trafiklerinde oldukça başarılı olan virtual devre saptırma protokolu (VCD) ve dinamik ağ işletimi kullanılır. Burada ara link üzerine gelen trafik kaldırılmıyorsa linke daha önceden belli (deterministic olarak) tahsis edilen alternatif yöne paketler saptırılır. Bu ise paketleri çöpe atmaktan daha iyi olmakla beraber daha önceden bilinen paket başlıklarının gelen paketin başlığı ile değiştirilmesini gerektirir. Bu işlem yukarda önerilen yapıdaki bir optiksel devre ile kompleks depolama ve bekletme gerektirmeden on the fly başlık değişimi ile yapılabilir. Ağın diğer taraflarında trafik sıkışıklığından bir seviyeye kadar kurtulmak amacı ile gelen paket başlığı içindeki küçük sayıdaki bitten oluşan tag işaret bilgisine bakılarak daha önceden ağ trafik yoğunluğu tag yönlendiricisinde analiz edilir. Bu sefer de tag yönlendircinin optiksel olmaması problemi ortaya çıkar. Yani elektronik ortamda etiket değiştirme (label swaping) ile karşı karşıya kalınır. Bu konuda bazı öneriler optik MPLS (Multi Protocol Label Switching) ortamı için [10] da önerilmiştir. Şekil 4. Regüler bağlantı ağları (elektronik yapıya uygun). (a) Shuflle, (b) Baseline, (c) Banyan Fotonik Ağ Yapıları Günümüzde iletişim ve bilgisayar ağları geçmişe oranla daha fazla işlevi üstlenmekte ve çok hızlı bir şekilde büyümektedirler. Doğal olarak bu değişikliğin başını Internet alt yapısı çekmektedir. Internet ağ yapısının özelliklerini ve davranışını daha iyi anlamak için yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bizim buradaki amacımız ağ büyümesinin matematiksel analizi

6 hakkındaki çalışmaları anlatmak değildir. Onun yerine sürekli artan ağ trafiğine karşın ağ elemanları olan düğümleri (yönlendirci, anahtarlama modülü vs) ve bunları, bilinen bir yapıda (regüler) ağ düğümü içinde (Şekil 4) veya düğümler arasında gelişi güzel bir birlerine bağlayan iletişim linklerinde kullanılan fotonik teknolojiyi önündeki sorunları anlatmaktır. Ağların fotonik entegrasyonunda ortaya çıkan mühendislik sorunlarından başlıcaları aşağıda sıralanmıştır: Düğümler arasında optiksel yolların birbirini mümkün olan en az sayıda kesmesi (kesmeden üst üste geçişler anlaşılmaktadır). Kesme sayıları artığı zaman cross talk dediğimiz linkler arasında işaretlerin birbirine etkisi artmakta ve daha büyük boyutlu fotonik entegrasyona engel çıkarmaktadır. Regüler ağ yapısı içinde herhangi iki düğüm arasında optik işaretin gideceği yolun uzunluğunu en aza (minimum) indirgeyen mimari tasarımın bulunması istenir. Bu kriter bize optik işaretin düğüm geçişlerinde zayıfladığını ve bu nedenle düğümler arasında ortalama zayıflamanın az olması gerekir. Elektronikte kullanılan entegre çiplerin paketlenmesinde olduğu gibi fotonik entegrasyonu artıran ve üretimi kolaylaştıran yeni paketleme veya istifleme yöntemlerinin geliştirilmesi gerekir. Örneğin Şekil 5 deki tasarımlarda daha önce bağlantı yapısı elektroniğe uygun, çok iyi bilinen shuflle ve banyan gibi bağlantı ağları düzlemde planar ve uygun düğüm dağılımları ile yeniden incelenmiştir [7]-[9]. Bu yolla regüler ağ linkleri kesişmelerinde yüzde elliye varan azalmalar sağlanmıştır. Fotonik entegrasyonu kolaylaştırmak için üç boyutlu uzayda (3D) planar bağlantı ağlarını parallel (veya sandüviç hazırlar gibi) düzlemler şeklinde istifleme yöntemleri önerilmiştir. Şekil 6 da bu yöntemin serbest optik bağlantı modülleri için en iyi istifleme olduğu belirtilmiştir [10]. Burada serbest optik bağlantıdan ( 3D free optical connection) optik işaretlerin boşluk içerisinde belli yönlere doğrulturarak cam ve özel merceklerle giriş-çıkış arasında istenen permutasyonların elde edilmesi anlaşılır. Daha önceki bölümlerde anlatılan optik kristal ve 2x2 optik anahtar burada anlatılan sorunlara köklü çözümler getireceği açıktır. Diğer taraftan daha önce önerilen mimari yapılar altında bu yeni elemanlarla optiksel entegrasyonun daha verimli, işlevsel ve yüksek kapasiteli gerçekleştirleceğini söyleyebiliriz.

7 Şekil düğümlü minimum kesişimli shuffle bağlantı modülü. Teknik Olmayan Sonuçlar Bu çalışmada fotonik teknoloji alanında çok yakın zamanda ortaya çıkan yeni ve devrimsel gelişmelere değindik. Bu gelişmeler ışığında aşağıdaki önerileri sunuyoruz. Fotonik teknoloji bilim kurgudan çıkmıştır. Ciddiye alınmalı ve mühendislik çalışmaları ve araştırmaları bu yöne kaydırılmalıdır. Bazı uzak-doğu ülkeleri ( örneğin Güney Kore, Çin gibi) fotonik ve optik teknoloji uygulamalarını nerdeyese bir devlet politikası haline getirmişlerdir. Bu teknolojiyi üreten ve kullanan insan ve kurumlar diğerlerine karşı mutlak üstünlük sağlayacaktır. Klasik mühendislik çözümlerinin yüzbinlerce üstün olanakları fotonik teknoloji ile elde edilecektir. Ünivesiteler içerisinde bu teknoloji elektronik ve bilgisayar mühendisliği veya fizik bölümleri altından çıkarılmalı ve yeni fotonik ve optik mühendisliği bölümleri açılmalıdır. Internet alt yapılarına yatırımlar yapılırken keskin teknolojik değişikliklere gidilmemeli yeni optiksel internet alt yapısı için uygun zaman beklenmelidir. Uygun zamanın makaledeki açıklamalara bakarak çok yakın olduğunu söyleyebiliriz.

8 Şekil 6. Fotonik modüller istifleme. Kaynakça [1] M. F. Yanık, et. al., High Contrast All-Optical Bistable Switching in Photonic Crystal Microcavities, Appl. Phys. Lett. Vol 83(14) pp. 2739, [2] M. F. Yanık, et. al., All-Optical Transistor Action in Photonic Crystal Cross Waveguide Geometry, Optics Letters, Dec. 15th, [3] A. Hatziefremidis, et. al., Header Separation/Re-insertion for 10 Gb/s Variable Length Optical Packets, J. of Optical Engineering, (baskıda). [4] I. Arkut, Routing in log-n Interconnection Networks, V. National Electrical and Electronic Engineering Congress, Izmir, September [5] I. Arkut, Cycle Routing in Photonic Interconnection Networks, VII. National Electrical, Electronic and Computer Engineering Congress, Ankara, September [6] I. Arkut and A. Adalier, Routing in Photonic Torus Interconnection Networks, VII. National Electrical, Electronic and Computer Engineering Congress, Ankara, September [7] I. Arkut and J. Giglmayr, Recirculating Interconnection Networks: Directed Graph Representations, Routing and Crossover Minimizations, International Topical Meeting on Photonic in Switching, Sendai, Japan, April 1996, PWC8. [8] I. Arkut and A. Adalier, Multi-Stage Interconnection Network Layouts Suitable For Photonic Switching, Proc. of the International Conference on Parallel and Distributed Techniques (PDPTA 2000), Las Vegas, Nevada, USA, June 24-29, 2000, CSREA Press. [9] A. Cassinelli, M. Naruse, M. Ishikawa, Multistage Network With Globally Controlled Switching Stages and Its Implementation Using Optical Interconnection Modules, J. of Lightwave Technology, 22(2), February 2004, [10] I. C. Arkut, R.C. Arkut and N. Ghani, Graceful Label Numbering in Optical MPLS Networks, Opticomm2000, Dallas, Texas, October 2000.