HomeShare
Magazine

Silicium-fotonica: de weg naar ultrasnelle datacentra

Scroll

6,5 Zettabytes – dat is de geschatte hoeveelheid aan data die in 2018 in datacentra wereldwijd zal verwerkt worden. Het is het equivalent van alle informatie die in 405 miljard ipads van 16Gb kan worden opgeslagen. Door deze verbazingwekkende evolutie zullen deze datacentra de komende jaren optische links nodig hebben die snelheden halen van 400Gb/s, zelfs van meer dan 1 Terabit(T)/s tegen 2022. Silicium-fotonicatechnologie die de techniek van dense wavelength division multiplexing mogelijk maakt, is een veelbelovende technologie om zo’n links te maken tegen een aanvaardbare prijs. Imec heeft onlangs de bouwstenen van 50Gb/s aangetoond in een volledig geïntegreerd 200mm silicium-fotonicaplatform. Deze bouwstenen maken het mogelijk om op te schalen naar 400Gb/s.

Het toenemende ‘verkeer’ in datacentra

In 2013 heeft de hoeveelheid data die jaarlijks in datacentra wereldwijd wordt verwerkt, de kaap van de Zettabyte overschreden (dat is 1021 bytes, of een triljoen Gigabytes). Dit verbazingwekkende getal is het resultaat van de sterke groei in sociale netwerking, cloud computing en ‘big data’-toepassingen. Met een samengestelde jaarlijkse groei (of CAGR) van 32% (Cisco Global Cloud index), schat men dat het verkeer in datacentra in 2018 6,5 Zettabytes zal bereiken. Het dataverkeer in datacentra omvat zowel het dataverkeer van het datacentrum naar de eindgebruiker en het verkeer tussen datacentra, als het dataverkeer dat binnenin de centra blijft. Dat laatste is goed voor meer dan 75% van het globale datacentrum verkeer.

Wanneer we inzoomen op een typisch datacentrum, dan wordt een heel netwerk van optische vezels zichtbaar dat zich uitstrekt over het ganse gebouw. Honderdduizenden optische links verbinden de verschillende serverracks door middel van een complex netwerk van vezeloptische kabel. Vandaag volstaan netwerksnelheden van 40Gb/s om het dataverkeer in stand te houden. Maar binnenkort zal het groeiende dataverkeer eisen dat de operatoren hun netwerk upgraden naar 100Gb/s (tegen 2016), en zelfs naar 400Gb/s (2019). Tegen 2022 zullen ze de Terabit/s snelheid moeten overschrijden. Daarvoor zijn er optische poorten nodig die ook deze datasnelheden halen, en die de signalen over single-mode vezels kunnen zenden tussen twee servers. Zo’n servers kunnen gemakkelijk een paar honderd meter van elkaar verwijderd zijn. De bestaande technologie, die vooral gebruikt maakt van materialen zoals indiumfosfide of galliumarsenide, is ofwel te duur – gezien het grote aantal poorten dat we nodig hebben in de datacentra – of kan het gevraagde bereik niet aan. We hebben poorten nodig die goedkoop zijn (<1$ per Gb/s) en weinig vermogen verbruiken (<5mW per Gb/s).

Silicium-fotonica kan de cloud opschalen

De meeste optische communicatienetwerken hanteren de techniek van (dense) wavelength division multiplexing (D)WDM om snelle optische communicatielinks te voorzien. Met deze techniek kan het aantal optische vezels dat nodig is om een gegeven bandbreedte te bereiken, geminimaliseerd worden. In een WDM-link worden namelijk meerdere parallelle datastromen elk op hun eigen golflengte door eenzelfde kanaal gestuurd. Om dit mogelijk te maken worden signalen gecodeerd op verschillende golflengtes (de dragers), die dan onafhankelijk verzonden worden doorheen eenzelfde fysisch kanaal. De dragers worden gegenereerd met laserdiodes die bij verschillende golflengtes werken. Een modulator zet de signalen over op deze dagers, en een multiplexer brengt de signalen samen. Aan de ontvangerskant worden de verschillende golflengtes dan ge-de’multiplexed’ en verzonden naar een rij van fotodetectoren.

Schematic representation of a communication link employing DWDM with 8 wavelength channels

Schematische voorstelling van een communicatielink die gebruik maakt van DWDM met 8 golflengtekanalen

Silicium-fotonica is een interessante technologie om alle bouwblokken die nodig zijn zo’n WDM-link te maken, in één chip te integreren. Deze technologie heeft als grote voordeel dat de optische componenten gefabriceerd kunnen worden met moderne halfgeleiderapparatuur. Daarmee wordt de technologie ook kostenefficiënter. Daarnaast zorgt de technologie ook nog eens voor een grote integratiedichtheid, een verminderd vermogenverbruik en een hoge yield. In combinatie met de mogelijkheden die WDM biedt, kunnen zo schaalbare single-mode optische transceivers worden gemaakt. Deze technologie maakt het mogelijk om op te schalen naar Tb/s optische poorten: van de huidige 4x25Gb/s (die 100Gb/s mogelijk maken) over 8x50Gb/s (400Gb/s) tot uiteindelijk 16x100Gb/s ( 1,6Tb/s). Hierbij staan 4, 8 en 16 voor het aantal golflengtekanalen die gebruikt worden in de rij van laserdiodes.

Imecs silicium-fotonica integratieplatform

Het silicium-fotonicaplatform dat imec ontwikkelde, laat de implementatie toe van een complete WDM-architectuur. Het platform gebruikt 200mm SOI-  (of silicium-op-isolator-) wafers als substraat. Het fabricageproces gebruikt een aangepaste 130nm CMOS-flow, uitgebreid met 193nm lithografie om de golfgeleiders te maken, en met germanium voor de fotodetectoren. Een bijkomend oxide/poly-silicium stapeling zorgt voor meer vrijheid in het ontwerp van de optische componenten. Deze stack wordt gebruikt om passieve componenten te integreren zoals roosterkoppelaars (of grating couplers), golfgeleiders en multiplexer-filters. Met het integratieplatform kunnen zowel passieve als actieve componenten (zoals opto-elektronische modulatoren, verhitters en germanium-op-silicium fotodetectoren) samen geïntegreerd worden. Elektronische circuits (zoals aansturingen (drivers) en transimpedantieversterkers (of TIA’s)) kunnen op een aparte chip gemaakt worden en met het silicium-fotonicacircuit geassembleerd wordt via flip-chip-technieken. In deze circuits converteert de driver een standaard CMOS-bitsignaal in een elektrische stroom die compatibel is met de optische chip, terwijl de TIA de fotostroom versterkt tot een standaard CMOS-bitsignaal.

Een 4x20Gb/s transceiver

Door heel wat onderzoek en ontwikkeling konden er al verschillende bouwstenen aangetoond worden, zoals snelle fotodetectoren, modulatoren en (de-)multiplexing filters. Recent zijn onderzoekers bij imec erin geslaagd om al deze bouwstenen in eenzelfde silicium-fotonicaplatform te integreren en zo een prototype van een 4x20Gb/s hybride CMOS silicium-fotonica transceiver aan te tonen (*ISSCC 2015).

Deze CMOS silicium-fotonicatransceiver bestaat uit een silicium-fotonicachip, die door middel van flip-chiptechnologie geïntegreerd is met een laagvermogen 40nm (commerciële) CMOS-chip. De silicium-fotonicachip, gemaakt met imecs 25Gb/s silicium-fotonicaplatform, bestaat uit een rij van vier compacte 25Gb/s ring-modulatoren. Deze zijn gekoppeld met een gemeenschappelijke bus-golfgeleider om WDM-transmissie mogelijk te maken. Aan de ontvangerskant is een de-multiplexing filter geïmplementeerd (ring-gebaseerd, met laag verlies (2dB)). De filter heeft een kanaalspatie van 300GHz en is verder verbonden met een rij van vier 25Gb/s germanium-golfgeleider-fotodetectoren. Zowel de ring-modulatoren als de ring-WDM-filters zijn uitgerust met zeer efficiënte geïntegreerde verhittingselementen om hun resonante golflengtes te tunen naar de juiste WDM-kanalen. De CMOS-chip omvat vier differentiële 20Gb/s ring-modulator aansturingen en vier 20Gb/s transimpedantieversterkers. Een 12-kanaals single-mode optische vezel-matrix is door middel van een planaire techniek (ontwikkeld door het Tyndall National Institute) verbonden met een matrix van roosterkoppelaars op de chip.

Hybrid CMOS Si photonics transceiver module

Hybride CMOS silicium-fotonica transceiver-module

In een 20Gb/s loop-back experiment kon een error-vrije werking worden aangetoond voor alle vier de WDM-kanalen. De vier WDM-golflengtekanalen verbruiken ongeveer 2mW per Gb/s (het vermogen verbruikt door de laser en thermische controle niet inbegrepen). Het thermisch tunen van de WDM-kanaal-golflengtes verbruikt 7mW/nm per kanaal.

Measured 20Gb/s transmitter and receiver eye diagrams

Gemeten oogdiagrammen van de 20Gb/s zender en ontvanger

Bouwstenen van een 8x50Gb/s DWDM silicium-fotonicatechnologie

De transceiver kan verder opgeschaald worden naar een grotere bandbreedte door een meer geavanceerde CMOS-technologie te gebruiken en door meer WDM-kanalen toe te voegen. Zo kunnen optische modules van 100Gb/s, 400Gb/s en sneller gemaakt worden voor de datacentra van de toekomst. Onlangs toonde imec verschillende bouwstenen aan voor 8x50Gb/s DWDM optische links, en biedt hiermee een route aan om te schalen naar  400Gb/s.

Eén van de belangrijke bouwstenen zijn optische modulatoren. Om de 50Gb/s datasnelheid voor een kanaal te bereiken, moeten modulatie-efficiëntie en bandbreedte zorgvuldig afgewogen worden. Daarnaast moet er ook gelet worden op de grootte van de modulatoren en hun thermische robuustheid. Er bestaan verschillende soorten modulatoren, zoals silicium ringmodulatoren en germanium-gebaseerde electro-absorptiemodulatoren. Ieder type heeft zijn eigen voor- en nadelen. In het algemeen nemen ring-gebaseerde modulatoren in silicium niet veel plaats in en hebben ze een laag vermogenverbruik. Hun optische bandbreedte is echter laag en er zijn controlecircuits nodig om te compenseren voor proces- en thermische variaties. Electro-absorptiemodulatoren hebben dan weer een bredere optische bandbreedte dan silicium ringmodulatoren. Imec heeft oplossingen ontwikkeld voor beide types modulatoren, elk met een modulatiebandbreedte groter dan 50GHz.

De Ge-gebaseerde electro-absorptiemodulator werd geïmplementeerd in imecs silicium-fotonicaplatform. Deze modulator, ontworpen in een laterale p-i-n-diode  configuratie (germanium/silicium), heeft een 3-dB modulatiebandbreedte groter dan 50GHz en een lage junctiecapaciteit van 12.8fF bij -1V. Terwijl de modulator werkt bij een datasnelheid van 56Gb/s, moduleert hij licht bij 1610nm met een uitdovingsverhouding (of extinctieratio) tot 3.3dB. Door zijn heel lage capaciteit is het totale vermogenverbruik (dynamisch en statisch) kleiner dan 2mW bij typische werkingscondities.

Imec demonstreerde ook een compacte ringmodulator die een modulatie van 56Gb/s mogelijk maakt met een aanstuurspanning van slechts 2.5V piek-tot-piek-swing (Vpp). Voor de ring gebruikten de onderzoekers een gedeeltelijk geëtste golfgeleider met een geëtste trench-diepte van 150nm en een golfgeleiderbreedte van 500nm, wat resulteert in een ring met een straal van slechts 5 micrometer. Zo’n kleine ringen maken een groot vrij spectraal bereik mogelijk, wat kan benut worden in veel-kanaals-WDM-toepassingen. De kleine ring verlaagt ook de capaciteit van de modulator. Voor 2.5Vpp en een capaciteit van -30fF, bedraagt het dynamisch energieverbruik van de modulator ongeveer 45fF/bit. Een modulatie van 56Gb/s kon aangetoond worden met 4dB dynamische extinctieratio. 

Si ring modulator and Ge electro-absorption modulator with measured eye diagrams

Silicium ring-modulator en germanium electro-absorptiemodulator met gemeten oogdiagrammen

Om de optische link te vervolledigen, ontwikkelde imec ook een DWDM demultiplexing filter, en koppelingsstructuren voor de optische vezel en laser. Zowel koppelaars in het vlak (met minder dan 2dB verlies over 100nm) als loodrechte koppelaars (met minder dan 3dB verlies over 30nm) werden aangetoond. Het platform bevat verder ook optische interfaces om een rij van III/V-lasers te kunnen integreren op de silicium-fotonicachips. Voor de detectie van de WDM-signalen, ontwikkelde imec een 50Gb/s germanium-op-silicium fotodetector. De detector heeft een verticale p-i-n-diode-configuratie, met een p-type contact in het germanium- en een n-type contact in het siliciummateriaal.

Ge-on-Si photodetector with measured eye diagram

Germanium-op-silicium fotodetector met gemeten oogdiagram

Wat we nog mogen verwachten

Imecs DWDM silicium-fotonicatechnologie biedt een duidelijke route om optische links op te drijven naar 400Gb/s (8x50Gb/s). Door gebruik te maken van geavanceerde modulatieschema’s zoals puls-amplitude-modulatie (PAM)-4 wordt in de toekomst ook 1,6Tb/s (16x100Gb/s) mogelijk. Vandaag kunnen de onderzoekers de verschillende bouwblokken samen integreren op 200mm wafers. Daarnaast werken ze aan de ontwikkeling van een volgende generatie silicium-fotonicaplatform op 300mm wafers. Hiermee kunnen ze de optische performantie verder opdrijven en het platform compatibel maken met de nieuwste 3D-integratietechnologieën .

Bedrijven kunnen gebruik maken van imecs silicium-fotonicaplatform (iSiPP25G) door te werken met bestaande standaardcellen, of door de functionaliteit van hun eigen ontwerpen te testen door middel van multi-project wafer-runs (MPW). De iSiPP25G-technologie is beschikbaar via imec IC-link en MOSIS, een leverancier die lage-kost prototyping en kleine volumeproductie van op-maat-gemaakte ICs aanbiedt.

Meer info

’Imec demonstrates compact wavelength-division multiplexing CMOS silicon photonics transceiver’, persbericht ISSCC 2015

‘Imec demonstrates 50GHz Ge waveguide electro-absorption modulator’, persbericht OFC 2015

‘Silicium-fotonica, sleuteltechnologie voor telecom en datacom’, imec magazine, september 2014 

Gerelateerd

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over.

Accepteer cookies