Fotonik Teknolojide Devrimsel Gelişmeler

FOTONİK TEKNOLOJİ DE
DEVRİMSEL GELİŞMELER
Dr. İbrahim Cahit Arkut1
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 Elemanlar2
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), (Email: [email protected]).
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.
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
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
Şekil 2. Fotonik kristal çapraz–dalga klavuzu
gereken zor sorun optiksel anahtarlar bilgisayar
anahtarlamada elektrik alan dağılımları.
çiplerine entegre edildiği zaman optik anahtarlama
(a) Kontrol giriş PinY yok ve işaret çıkış PoutX
elemanları yeter derecede küçük olduklarından
düşük.
kontrol olağan optik elemanlarda olduğu gibi
(b) Kontrol giriş PinY var ve işaret çıkış PoutX
yüksek.
elektriksel olarak değil ışıksal olarak kontrol
Küçük
halkalar
dielektrik
sütunları
edilebilmeleri
gerektirir.
Optik
transistor
göstermektedir.
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
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 Fotonik3
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].
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
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.
Şekil 5. 64 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.
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, 2003.
[2] M. F. Yanık, et. al., “All-Optical Transistor Action in Photonic Crystal Cross Waveguide
Geometry”, Optics Letters, Dec. 15th, 2003.
[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 1992.
[5] I. Arkut, “Cycle Routing in Photonic Interconnection Networks”, VII. National Electrical,
Electronic and Computer Engineering Congress, Ankara, September 1997.
[6] I. Arkut and A. Adalier, “Routing in Photonic Torus Interconnection Networks”, VII.
National Electrical, Electronic and Computer Engineering Congress, Ankara, September
1997.
[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, 315-328.
[10] I. C. Arkut, R.C. Arkut and N. Ghani, “Graceful Label Numbering in Optical MPLS
Networks”, Opticomm2000, Dallas, Texas, October 2000.