Hab es mal einigermaßen übersetzt. Erstens um es selbst besser zu verstehen, zweitens weil es selbst auf Agora kaum diskutiert wurde. Eins vorneweg so n White Paper beleuchtet ein Problem und liefert die Lösung auf einer technischen Ebene. Leider wurden die Inhalte dieser Schrift noch in keiner News erwähnt.
Implementierung von Datenlinks im Bereich kurzer und sehr kurzer Reichweite mit Poet Does. (Digital Opto electronic Switch)
Zusammenfassung:
Poet`s Implementierung von monolithischen opto-elektronischen Einheiten/Geräten ermöglicht die Kreation eines „Transceiver Moduls auf einem Chip“. Durch die Kombination aller erforderlichen Komponenten eines Transceivers - nämlich Laser, Empfänger, den Treiber für den Laser, Verstärker und diverser Steuerungselektronik- auf einem einzigen Chip, kann die Poet Lösung durch eine dramatische Reduzierung der Kosten für Material (Bills of Material) und Montage (packaging costs), eine Diskontinuität in den traditionell angenommenen Kosten und Leistungskurven herbeiführen, die üblicherweise mit diesen Anwendungen assoziiert werden.
1. Einleitung
Halbleiter die emittieren, detektieren und Licht managen sind zu einer photonischen Technologie ausgereift die in einer großen Breite von Anwendungen Verwendung findet. Von laserbasierten Dingen wie DVD oder Blu-ray Konsumprodukten über Solarzellensysteme die Satelliten mit Strom versorgen und Solaranlagen fernsteuern bis hin zu den Kommunikationsmaschinen in riesigen Datenzentren, welche das Internet am laufen halten.
Während der Datenverkehr im Internet wächst, wächst auch das Verlangen optische Kommunikation in allen Kommunikationsverbindungen zu verwenden, auch im Bereich der sehr kurzen Reichweiten, die heutzutage noch von Kupfer dominiert werden. Dies ist notwendig um den Stromverbrauch zu reduzieren der mit typischen Kupferverbindungen zu erwarten ist. Energieverbrauch ist buchstäblich ein heißes Thema (Wärmeentwicklung) für diejenigen, die ein Datenzentrum entwerfen müssen.
Laut einer Präsentation auf der OFC-Konferenz 2013 (optical fiber communication) liegt der durchschnittliche Stromverbrauch einer 10 Gigabit Verbindung („PHY“-Verbindung, ist ein Standard, der aussagt das einzelne Bits und keine Datenpakete transportiert werden) pro Sekunde bei um und bei 3Watt. Das kann vielleicht auf 1,5Watt reduziert werden, in dem man aktive Kupferverbindungen mit Leistungssteuerung verwendet. Vergleicht man das mit einer optischen Glasfaser Verbindung (unter Verwendung einer VCSEL Quelle kurzer Wellenlänge über eine multimode (Glas)Faser) verbraucht diese nur 0,015 Watt. (bei 1,5pJ/bit)
Wie auch immer, um kupferbasierte Verbindungen durch optische ersetzen zu können, müssen die Gesamtkosten (neben dem Stromverbrauch) auf bis zu ein Zehntel gesenkt werden.
Wie können Hersteller Kosten und Stromverbrauch auf revolutionäre Art senken?
Es ist klar, dass das Weiterentwickeln vorhandener Technologien nicht funktionieren wird. Denn inkrementelle sprich schrittweise Veränderungen der Komponenten oder Technologie wird nicht zur verlangten Lösung führen.
2. Monolithisch integrierte opto-elektronische Schaltkreise
Der siliziumbasierte integrierte Schaltkreis beinhaltete einen Haufen von CMOS Transistoren auf Silizium. Der Prozess der Integration hat über die Jahre zu vereinfachten systematischen Konzepten geführt, welche substantielle Verbesserungen bei Leistungsfähigkeit, Stromverbrauch, Kosten und Funktionalität erbracht haben.
Beispiel für eine Ansammlung verschiedener Komponenten eines Systems auf einem einzelnen monolithischen Chip.
Photonische integrierte Schaltkreise (PIC) umfassen in der Folge eine Reihe von monolithisch integrierten photonischen Komponenten: Laser, Detektoren, Modulatoren, Verstärkern und elektronische Verschaltungen. Photonische IC`s werden Silizium IC`s ergänzen und einen Mechanismus zur Verfügung stellen, um optische Kommunikation kosteneffizient anzuwenden.
Auf der Konferenz OFC/NFOEC wurde auch wahrgenommen, dass ein limitierender Faktor bei der Entwicklung von zukünftigen Supercomputern die verbrauchte Energie pro Berechnung sein wird. Es zeigt sich auch, dass der Energieverbrauch zum Transport der Daten, wesentlich größer ist als der Energieverbrauch der notwendig ist, um eine einzelne Berechnung durchzuführen.
Ein Beispiel: Der Energieverbrauch einer einzelnen Berechnung beträgt ungefähr 0,1pJ pro Bit. Die Energie um diese errechneten Daten durch einen üblichen aufgedruckten Schaltkreis zu bewegen (3-10Zoll) ist ungefähr 200 Mal höher und die Energie die benötigt wird um diese Daten über Distanzen zu transportieren die typischerweise in einem Datenzentrum zurückgelegt werden müssen, ist ungefähr 2000 Mal höher. Optische Kommunikation ist der Schlüssel um den Energieverbrauch der gesamten Verbindungsstruktur zu senken. Ausgehend vom Chip, durch die Hauptplatine und von einer Platine zur anderen. Etwas spezifischer ausgedrückt, photonische Integration wird den Bereich der Optik auf die gleiche Art revolutionieren, wie integrierte Schaltkreise den Bereich der Elektronik revolutioniert haben.
Es gibt verschieden Ansätze um integrierte photonische IC`s zu kreieren: Silizium photonic. IndiumPhosphid, GalliumArsenid, optische Polymere etc.
Die Poet Plattform stellt ein solches Mittel zur (Ko-) Integration von Photonen, mit analoger und digitaler Hochgeschwindigkeitselektronik zur Verfügung. Dies geschieht unter Verwendung einer integrierten Plattform von GalliumArsenid und ist im Besonderen Kosten-, und Energieeffizient.
3. Monolithische photonische Integration anwendungsbezogen auf optische Transceiver
Ein aktuell kritischer Bedarf im Bereich der Kommunikationstechnologie besteht für Hochleistungstransceiver, um Datenverbindungen zwischen Chips, zwischen Platinen und zwischen Racks (Leiterplattengehäuse/Rahmen) zu gewährleisten. Zurzeit liegen die Geschwindigkeiten hauptsächlich bei 10Gbps, mit der Verfügbarkeit von 4 Kanälen und 25Gbps erreicht man Geschwindigkeiten von 100Gbps und man plant eventuell 400Gbps zu erreichen.
Zwei Schlüsselanwendungen sind Short Range (<500m) und Very Short Range (<50m).
Auf dieser Ebene gibt es zwei miteinander konkurrierende Technologien. Auf der einen Seite gibt es VCSELS mit pin Detektoren die eine Wellenlänge von 850nm nutzen, auf der anderen stehen die SiP (silicon photonics) basierend auf externen DFB Lasern und integrierten Germanium Detektoren die auf einer Wellenlänge von 1310nm oder 1550nm arbeiten.
3.1 Vcsels
Die VCSEL-Lösung ist eine hybride Anordnung von 4 integrierten Schaltkreisen. Diese enthalten: einen diskreten 850nm VCSEL, einen Si CMOS oder auch SiliziumGermanium Lasertreiberschaltkreis, einen diskreten GaAs Pin Detektor mit einem Si Empfängerschaltkreis welcher aus einem TIA besteht, (vermutlich Transimpedanzverstärker) und Begrenzungsverstärker sowie Ausgangsverstärkern.
Kosten und Leistung sind hier signifikant limitierende Faktoren. Die Montage mehrerer Chips in eine kompakte Baugruppe ist arbeitsintensiv, störungsanfällig und verringert die Erträge. Der Stromverbrauch dieses Lösungsansatzes ist ein einschränkendes Element, dieser resultiert aus der geringen Umwandlungseffizienz des Treiberschaltkreises, der Notwendigkeit der Signalbearbeitung (Glättung oder Gleichmachung?) auf Empfänger und Senderseite, sowie weitere Verstärker welche in der Empfängerkette benötigt werden. (Signalaufbereitung)
VCSELS haben mittlerweile 25Ghz (ft`s?) unter Laborbedingungen erreicht was dazu ausreicht eine Übertragungsgeschwindigkeit von 50Gbps pro Kanal zu erreichen, obgleich die kommerziell erhältlichen VCSELS Verbindungen zwischen 10Gbps bis zu 25Gbps erreichen.
Alle dieser 850nm VCSEL Verbindungen sind mit einer optischen MMF- Verbindung (MultiModeFiber) ausgestattet, weil der VCSEL für sich im multimode operiert und die MMF Anpassung die kostengünstigste Lösung ist.
Die optische MMF- Verbindung wurde mittlerweile optimiert und an das Leistungsprofil der VCSEL angepasst, so dass eine Entfernung von 300m bei 10Gbps möglich ist.
Das ist aktuell die tragende Säule des Marktes der Datenverbindungen und es ist die angestrebte Lösung, wenn immer es möglich ist. Aber diese Lösung versagt aktuell bei Distanzen von 500m insbesondere wenn man 25Gbps Datenraten erreichen möchte, bei denen die maximale Distanz bisher auf 100m beschränkt blieb.
Aus diesem Grund und um 100Gbps Verbindungen zu ermöglichen, wird die VCSEL-Lösung von der SiP-Lösung (Silicon Photonics) herausgefordert, welche SMF (SingleModeFiber) für die optische Verbreitung des Signals verwendet. Der Konsens ist, dass alle zukünftigen Faserverbindungen im Single Mode operieren müssten um Distanzen über 100m zu erreichen und dass dies einen Wachstumsmarkt für SiP`s darstelle.
3.2 Silicon Photonics
SiP implementiert einige optische Funktionen auf einem Si-wafer mit Wellenleiter Technologie um Integration zu erreichen. (de.wikipedia.org/wiki/Arrayed-Waveguide_Grating) Die integrierten Elemente sind: ein MZ modulator (vll Mach Zehnder), wegen der relativ schwachen Index Variation die durch die „free carrier junction in a Si PN Übergang erreicht wird.(aha) Ein Wellenleiter MSM Detektor (Metal Semicondutor Metal) basierend auf der Aufbringung von Ge und passiven Wellenleitern für das Verkoppeln von Ein und Ausgang. Dieses Verkoppeln wird durch die Platzierung angewinkelter Fasern an ein Wellenlängenstabilisierendes Bauteil erreicht. Viel Forschungsaufwand wurde betrieben um eine Einbindung von CMOS Treiberschaltkreisen in diese Art der (optischen)Integration zu ermöglichen. Trotzdem sind heute bei den meisten Umsetzungen von SiP, Entzerrschaltungen (FFE und DFE), Modulator Treiberschaltungen, der TIA und die Empfangsverstärker alle auf einem separatem Schaltkreis platziert und dieser dann mit einen optischen Chip verbunden. Die Laser Quelle ist eine externe Komponente. Ein Beispiel einer solchen Umsetzung von IMEC ist unten dargestellt.
Im Vergleich mit einem VCSEL sind auch bei einem SiP die Probleme von Kosten und Energieverbrauch ein limitierender Faktor. Zum Beispiel ist die Montage der Komponenten teuer und die Treiber und Empfängerschaltkreisen sind Energiehungrig. Dennoch hat die SiP Herangehensweise eine Schlüsselvorteil gegenüber dem VCSEL. Es ist eine Single Mode Lösung bei 1310nm oder 1550nm, so dass die Reichweite nicht limitiert ist. Der andere Vorteil von SiP ist die Fähigkeit höhere Modulationsschemata wie PAM4 oder Coarse Wavelength Division Multiplexing einzubinden. Das ist momentan mit VCSEL basierter Technologie nicht möglich. Aktuelle SiP Spitzentechnologie liefert Übertragungsraten von 25Gbps, gebündelte Übertragungsraten von 100Gbaud, oder auch 200Gbaud wenn Duplex CWDM oder Parallel Single Mode (PSM) verwendet wird.
3.3 Die Poet Lösung
Poet kombiniert die Kostenvorteile von traditionellen VCSEL Verbindungen mit den Leistungsvorteilen die durch SiP- Lösungen erreicht werden. Poets Lösung für das Datenlinkproblem involviert neue Geräte/Einheiten und Prozessinnovationen die zu einer Plattform mit unerreichten Vorteilen führen und welche die Vorteile beider Lösungen kombiniert.
Die Poet Lösung bietet zwei Optionen. Auf kurze Sicht ist das Lasern out-of-plane und die Laser Lösung ist ein VCSEL. Mittelfristig und als Teil von POETs Roadmap, kann Lasern sowohl in-plane, als auch out-of-plane simultan stattfinden.
3.3.1 Out-of-plane Lasing
Die Poet VCSEL-Epitaxie und Prozess-Sequenzen sind entworfen worden, um es zu ermöglichen, VCSEL und elektronische Elemente wie FET und HBTs zu ko-integrieren.
Die primär differenzierenden Besonderheiten der POET Plattform sind die folgenden
(i) Die Poet-Epitaxie (Verfahren) für den integrierten VCSEL/elektronischen Stapel (Stack) ist einfacher und das gibt einen inhärenten Kosten Vorteil beginnend beim Epitaxie Verfahren
(ii) Der Lasertreiber und Modulator Transistoren sowie der Laser sind integriert. Diese Integration vereinfacht großartig den Laser Schaltkreis so dass man high speed GaAs basierte HFET (heterogene FeldEffektTransistoren) dazu benutzen kann, den Laser direkt zu modulieren ohne sich über die Signalintegrität Gedanken machen zu müssen. Dadurch ist der Stromverbrauch insgesamt reduziert.
(iii) Poet implementiert ein neues Paradigma für lasing. Poet nutzt eine neue Laser Struktur in der Form eine opto elektronischen Switches. (DOES) Der Switch hat zwei binäre optische Zustände, zum Beispiel hoher Widerstand (laser aus) und niedriger Widerstand (laser an) wie digitale elektrische Zustände die eine essentiell unendliche Extinktionsrate ermöglichen. Der DOES ist ein digitales Element und hat einen internen Gewinn (gain) und dieser wird in den „AN“ Status versetzt durch einen einzigen Transistor was wiederum die Betriebsspannung wesentlich verringert gegenüber konventionellen Lasertreiberschaltkreisen.
Es ist es Wert an dieser Stelle anzumerken das alle konventionellen Laser (auch VCSEL) analoge Einheiten (PN Dioden) sind und daher Modulation um eine Spannung herum erforderlich machen.
(iv)Poet führt auch ein neues Paradigma für den Detektor ein. Eine ResonanzHöhlenDetektor der ebenfalls das DOES Konzept anwendet. Der Empfänger wird als digitaler Detekor in welchem das einfallende Licht das Schalten vom hohen Widerstand (AUS) in den niedrig Widerstand (AN) Zustand auslöst. Auch hier erhöht der interne Gewinn die Empfindlichkeit der Detektion und ermöglicht digitale Wellenformanpassung so dass ein TIA oder andere Verstärker nicht mehr benötigt werden. Die Umwandlung von einem optischen in ein elektrisches Signal sowie die Signalaufbereitung finden in einem einzigen Schritt statt.
(v) Zum Empfangen und Senden ist die Wellenform vorgegeben durch das DOES-schalten, so dass FFE und DFE Schaltkreise nicht mehr nötig sind. Die Vorteile dieses Ansatzes ist die Reduzierung der Komponentenkosten (BOM) und des Stromverbrauches.
(vi)
Die einzigartige Struktur und Konsistenz des POET VCSEL führt zu SingleModeOperation, was typischerweise mit Standard VCSELn nicht möglich ist.
Verglichen mit traditionellen VCSEL basierten Verbindungen, ist die Integration zu einem einzigen Chip statt der bisherigen 4 Chip-Lösung eine substanzielle Vereinfachung und reduziert Material und Montagekosten. Noch wichtiger, die komplette monolithische Integration reduziert den Stromverbrauch insgesamt um eine erhebliche Größenordnung.
Die Geschwindigkeitsparameter tendieren auch zu höherer Leistung verglichen mit traditioneller VCSEL basierter Datenlink Technologie für MultiModeFiber Short Reach Anwendungen.
Dadurch dass der POET VCSEL im Single Mode funktioniert, wird auch erwartet, dass Datenraten von 25Gbps pro Kanal auf 500m Entfernung ermöglicht werden. Diese Lösung stellt eine sehr attraktive ein Chip Lösung gegenüber existierenden SiP Konzepten.
3.3.2 In Plane Lasing
Wie vorhin erwähnt erlaubt die POET Architektur in Plane und out of plane lasing simultan. Wenn man in-plane-lasing betreibt, erlaubt die POET Lösung Zugang zu einer großen Ansammlung opto elektronischer Elemente welche kombiniert dazu genutzt werden können zahlreiche neue Anwendungen zu ermöglichen. RF Photonen, optische ADC`s, optisches Takten, CWDM etc. Diese Plattform ermöglicht alle Kapazitäten die zurzeit mit anderen Wellenleitern basierten Technologien wie INPhosphid erreicht werden können, aber mit dem zusätzlichen Vorteil der elektronischen und Lichtintegration auf dem gleichen Chip.
Unten eine Tabelle welche die Nutzbarkeit von Elementen für In Plane und out-of-plane vergleicht.
Insbesondere im Vergleich mit Sip ermöglicht in plane lasing mit POET Zugang zu kritischen aktiven Komponenten – primär den Laser und der Halbleiter zur optischen Verstärkung.
Weitere Vorteile der Poet Lösung verglichen mit konventionellem in plane lasing:
-enge Beschränkung des Lichts in den Wellenleitern welches 90° Beugungen erlauben und kleinere Bauteile erlauben
- starker Index Wechsel durch Träger Modulation in den quantumwells (genau)
- no epitaxial growth interface to the waveguide resulting in low loss light coupling (passe)
- automatisches Einrasten der Wellenlänge durch Resonanzkörper welche Wellenlängenveränderungen und heater elements und überflüssig machen
4. Schlussfolgerung
Eine neue monolithische opto elektronische Plattform wurde Entwickelt, mit neuartigen Bauelemente und Prozess Innovationen.
Diese Plattform stellt einen einzigartigen Weg zur monolithischen Integration von optischen und elektronischen Bauelementen zur Verfügung, die für einen optischen Transceiver benötigt werden und dies repräsentiert eine Disruption in den Segmenten Short Reach und Very Short Reach im Markt der Datenkommunikation.
Ein weiteres Ausbauen der POET Plattform mit in-plane-lasing addiert weitere disruptive Eigenschaften und Fähigkeiten, die eine neue Klasse der optischen Kommunikation und Rechenchips ermöglicht.
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