Silicium-fotonica interposers voor 400Gb/s (en snellere) optische verbindingen

Silicon Photonics, Semiconductor technology & processing Silicium-fotonica interposers voor 400Gb/s (en snellere) optische verbindingen Samen met twee imec-onderzoeksgroepen aan de UGent werkte imec aan een nieuwe generatie 400Gb/s optische links voor datacentra. De teams gebruikten hiervoor imecs silicium-fotonica platform, en implementeerden verschillende modulatieformats, zoals NRZ, en de meer geavanceerde EDB en PAM-4 formats om grotere afstanden te overbruggen en conform te zijn met industriële standaarden. Datacentra vragen 400Gb/s (en snellere) optische verbindingen Elke dag genereren wij enorme hoeveelheden data. Denk maar aan e-mails en tekstberichten, foto s en video s die we op onze sociale media zetten, en de grote hoeveelheden data afkomstig van bedrijven als Google, Facebook en Amazon. Al deze data wordt opgeslagen en verwerkt in datacentra. In deze datacentra strekken zich doorheen de gebouwen gigantische netwerken uit van optische vezels. Honderdduizenden optische links verbinden de server-racks door middel van een complex netwerk van fiber-optische kabels. Vandaag volstaan 100Gb/s optische verbindingen opgebouwd uit vier 25Gb/s enkelvoudige kanalen of lanes om het dataverkeer in het datacenter in stand te houden. Zij versturen de data over afstanden van enkele honderden meter tot 2km. Door de voortdurende toename van sociale netwerking, cloud computing en big data wordt de komende jaren een exponentiële toename van het dataverkeer verwacht. Volgens de Cisco Global Cloud Index zal in 2021 het dataverkeer in datacentra wereldwijd de 20 Zettabytes (of 20x10 21 bytes) overschreden hebben. Om aan deze vraag te voldoen, moeten de operatoren van datacentra hun netwerk upgraden naar 400Gb/s links tegen 2019, en verder opschalen naar 1,6Tb/s tegen 2022. Deze volgende-generatie 400Gb/s optische verbindingen zullen in de datacentra afstanden van 500m, 1km en 2km moeten kunnen overbruggen. De industrie bekijkt of ze deze links met 8x50Gb/s lanes zal implementeren, of met 4x100Gb/s lanes om het aantal componenten zo klein mogelijk te houden. Er zijn heel veel optische links nodig in een datacenter, en daarom mogen ze niet te veel kosten en moeten ze energiezuinig zijn. 1/10

Imec bekijkt momenteel verschillende implementaties voor optische links van 400Gb/s (en sneller) in silicium (Si)-fotonica technologie. In dit artikel hebben we het eerst over imecs Si-fotonica platform. Dat platform co-integreert compacte hoge-snelheidsmodulatoren en fotodetectoren met electro-optische bandbreedtes boven 50GHz. Deze componenten kunnen comfortabel werken bij single-lane datasnelheden van 56Gb/s NRZ (non-return-to-zero). Door modulatieformats van een hogere orde te gebruiken, kunnen datasnelheden groter dan 100Gb/s gehaald worden voor enkelvoudige kanalen. Twee complexe modulatieformats werden daarom onder de loep genomen: het electrical duobinary (EDB) modulatieformat en het pulse-amplitude modulatieformat PAM-4. Tenslotte gaan we ook in op de uitdagingen voor het elektrisch en optisch verpakken, om zo te komen tot volledig geïntegreerde 50GHz Si-fotonica interposers. Hiermee zullen we de toekomstige multi-tb/s optische modules kunnen integreren met high-bandwidth logische en geheugenchips. Imecs Si-fotonica platform Single-mode glasvezel is het optische medium bij uitstek om signalen in datacentra te verzenden over 500m, 1km of 2km. Si-fotonica is zeer geschikt om de essentiële bouwblokken van deze singlemode optische vezel-verbindingen te integreren. Met deze schaalbare technologie kunnen kleine, laagvermogen transceivers tegen een lage kostprijs en met hoge volumes worden geïmplementeerd, door gebruik te maken van bestaande infrastructuur voor chipfabricatie. Imecs Si-fotonica prototyping platform gebruikt 200mm SOI wafers als substraat. Het fabricageproces maakt gebruik van een aangepaste 130nm CMOS-flow, aangevuld met 193nm lithografie voor het patroneren van de golfgeleiders, en germanium (Ge) voor de fotodetectoren. Een bijkomende oxide/poly-si-stapel wordt neergezet om meer vrijheidsgraden te voorzien voor het ontwerp van de optische componenten. Deze stapel wordt gebruikt voor het integreren van geavanceerde Si passieve componenten zoals vezel-koppelaars, golfgeleiders en golflengtemultiplexing filters. Daarna worden ionenimplantatie, selective-area groei van Ge en standaard CMOS-metallisatie modules gebruikt om de actieve componenten te integreren, zoals de elektrooptische modulatoren, thermo-optische elementen en Ge fotodetectoren. Elektronische circuits zoals drivers en transimpedantie versterkers (TIA) kunnen op een aparte wafer gemaakt worden en met de Si-fotonicacircuits geassembleerd worden door middel van flip-chip assemblagemethoden. In deze circuits is het de driver die een standaard CMOS bit-toestand converteert in een elektrische spanning of stroom die compatibel is met het optische element. De TIA vertaalt de fotostroom terug naar een CMOS bit-toestand. Bouwblokken van 56Gb/s aangetoond Eén van de belangrijkste bouwblokken van optische transceivers zijn optische modulatoren, die de datasignalen op de optische draaggolf overzetten. Er bestaan verschillende soorten modulatoren, zoals Si ring-modulatoren, Si Mach-Zehnder modulatoren en GeSi-gebaseerde elektro-absorptie modulatoren elk met hun eigen specifieke eigenschappen en beperkingen. Voor al deze modulatoren heeft imec oplossingen ontwikkeld, waardoor ze kunnen werken bij 56Gb/s NRZ. NRZ of non-return-to-zero is een eenvoudig twee-niveaus, één-bit modulatieformat, waarbij het licht aan of uit wordt geschakeld al naargelang de bit-toestand (1 of 0). 2/10

Imec heeft onlangs zijn Si Mach-Zehnder en ringmodulatoren geoptimaliseerd om te werken in de O-band (1260 1360nm golflengte). Oorspronkelijk waren deze modulatoren ontwikkeld om te werken in de C-band (1530 1565nm golflengte). Voor toepassingen die een transmissie via singlemode vezels over afstanden groter dan 1km vragen, gaat de voorkeur echter uit naar de O-band. De optimalisaties waren mogelijk door veranderingen aan het ontwerp en het proces. Op die manier kon een compacte traveling-wave Mach-Zehnder modulator gerealiseerd worden met een bandbreedte van 37GHz bij -1V bias, wat volstaat voor 56Gb/s NRZ operatie. Ook ringmodulatoren kunnen aan de kant van de transmitter gebruikt worden. Dit type modulatoren maakt gebruik van het optische-resonantie-effect, waardoor ze een kleiner dynamisch vermogenverbruik en een kleinere voetafdruk hebben. Maar ze zijn meer gevoelig aan temperatuurfluctuaties en aan variabiliteit door fabricage. Om de modulatieperformantie te stabiliseren, hebben ze een feedback-loop controlecircuit en een geïntegreerde heater nodig. Het imec-team realiseerde O-band ringmodulatoren met modulatiebandbreedtes van de orde van 35GHz tot 45GHz. Met een 1V pp driver werkt de 35GHz modulator met een ~3dB extinctieverhouding en ~5dB insertieverlies. De geïntegreerde heater maakt het mogelijk om thermo-optisch te tunen en om de werkingsgolflengte van de ringmodulator te stabiliseren voor een temperatuurbereik van meer dan 100 C. Tenslotte werd ook een GeSi-gebaseerde elektro-absorptiemodulator ontwikkeld die werkt in de C- band. Elektro-absorptiemodulatoren bieden in het algemeen een bredere optische bandbreedte dan bijv. ringmodulatoren. Wanneer de component in een laterale p-i-n Ge/Si diode-configuratie ontworpen is, kan hij ook worden geoptimaliseerd om te werken als fotodiode. Op die manier kon het team een Si-fotonica transceiver op één chip ontwerpen met daarop zowel elektroabsorptiemodulatoren als fotodiodes die werkt bij een bandbreedte boven 50GHz. Met een driver met 2V pp drive swing werd een extinctieverhouding van ~4dB bereikt, met een gelijkaardig optisch insertieverlies. C-band GeSi elektro-absorptiemodulator: (links) statisch insertieverlies en extinctieverhouding en (rechts) 56Gb/s NRZ oogdiagram. 3/10

Naar 400Gb/s optische verbindingen Een team van IDLab en de Photonics Research Group, beide imec onderzoeksgroepen aan de UGent, heeft deze modulatoren en fotodiodes gebruikt als bouwstenen om geavanceerde 100Gb/s singlelane transmitters aan te tonen. Dat konden ze doen door de bouwstenen intelligent te gebruiken en te combineren met geavanceerde, specifieke hoge-snelheidselektronica. Het team heeft drie verschillende modulatieformats gebruikt: NRZ, EDB en PAM-4. Met deze 100Gb/s transmitters kunnen 400Gb/s optische verbindingen worden gemaakt, hetzij door gebruik te maken van vier parallelle vezels (waardoor licht van één specifieke golflengte in parallel wordt gestuurd), of door wavelength multiplexing. Met wavelength multiplexing worden de signalen gecodeerd op (vier) verschillende draag-golflengtes die door dezelfde optische vezel gaan. 100Gb/s NRZ en EDB transmissie De meest logische manier om naar single-lane 112Gb/s transmissie te gaan, is de snelheid van de oorspronkelijke 56Gb/s NRZ modulator verdubbelen. Maar de elektronica snel genoeg maken om deze hoge datasnelheden aan te kunnen, is niet vanzelfsprekend. Voor dit experiment gebruikte het team een zelf-ontwikkelde elektrische transmitter en ontvanger, waarmee signalen tegen een snelheid van 100Gb/s gegenereerd en verwerkt kunnen worden, en een GeSi-gebaseerde elektro-absorptiemodulator. Transmitter- en ontvangerchips waren ontwikkeld in 0,13µm SiGe BiCMOS-technologie. Een belangrijke innovatie was nodig om de eerste 100Gb/s NRZ error-vrije transmissie over 500m in realtime mogelijk te maken. Aan de transmitter-kant werd een analoge equalizer-op-chip ingezet om te compenseren voor alle niet-idealiteiten in de daaropvolgende elektrische of optische componenten in de verbinding. Deze compensatie werd verkregen door het elektrisch signaal dat uit de transmitter komt vooraf te vervormen. Bij 100Gb/s NRZ werd een bit-error-verhouding van 6E-9 bereikt voor transmissie over 500m single-mode vezels. Sleutelcomponenten van de 100Gb/s NRZ transceiver 4/10

Maar bij deze hoge snelheden vormt de chromatische verstoring in het vezel-kanaal de beperkende factor om signalen te versturen over afstanden groter dan 500m. Door deze verstoring neemt de bandbreedte af bij grotere afstanden, vooral bij 2km. Als er dus een transceiver nodig is die alle relevante afstanden in een datacenter kan overbruggen, dus 500m, 1km en 2km, dan is een andere aanpak nodig. Daarom richtte het team zich in een tweede experiment tot EDB-modulatie, wat meer opgewassen is tegen deze vorm van vezel-verstoring. Het EDB-modulatieformat is wel complexer dan NRZ, maar biedt een betere werking bij grotere afstanden. In hun experiment gebruikten de onderzoekers de bandbreedte-beperking van het kanaal, zoals waargenomen tijdens het eerste experiment, om het signaal om te vormen tot een drie-niveaus-signaal. Deze drie niveaus, aangeduid met -1, 0 en 1, worden vertaald in drie optische intensiteiten, in tegenstelling tot optische duobinary modulation. Het EDB drie-niveaus-signaal vertaalt zich ook in een verschillend oogdiagram wat een belangrijke metriek is om de performantie van de transmitter te beoordelen. In een oogdiagram komt een open oog typisch overeen met een minimale verstoring van het signaal. Terwijl NRZtransmissie leidt tot oogdiagrammen met slechts één serie ogen, resulteert het EDB-format in twee reeksen ogen (elk met open ogen, in het ideale geval). Op deze manier kon het team de eerste realtime 100Gb/s EDB-transmissie aantonen over meer dan 2km single-mode fiber. Bit-error-rate (BER) curves voor 100Gb/s NRZ en EDB transmissies (RT = real-time meetresultaten). 5/10

Optisch oogdiagram bij 100Gb/s EDB. 100Gb/s single-lane PAM-4 transmissie: de industriële standaard Onlangs heeft de industrie PAM-4 gekozen als modulatieformat voor 100Gb/s single-lane transmissie over 500m, 1km en 2km afstanden. Anders dan NRZ en EDB, twee-niveaus en drieniveaus modulatieformats respectievelijk, is PAM-4 een vier-niveaus modulatieformat. De niveaus worden aangeduid als 00, 01, 10 en 11 (waarbij twee bits in elke niveau worden gecombineerd). Terwijl NRZ idealiter switcht tussen al het licht (1) en geen licht (0), komen PAM-4-niveaus overeen met geen licht, een derde van het licht, twee derde van het licht of al het licht. Met dit vierniveaus format kan de datasnelheid dus verdubbeld worden bij dezelfde bandbreedte. Het kunnen genereren en ontvangen van PAM-4-signalen bij lijnsnelheden van 112Gb/s is een hele uitdaging. In het algemeen leidt het gebruik van een meer-niveaus modulatieformat tot verkleinde oogopeningen. Daarbij komt nog dat de modulator in een implementatie met één modulator een lineaire transferfunctie moet hebben. De meeste types modulatoren zijn echter niet-lineair. Pogingen om dit probleem op te lossen beperken zich meestal tot het elektrische domein, en maken gebruik van energiehongerige tools zoals digitale signaalverwerking (DSP) en digitaal-naar-analoog convertoren (DACs). Op deze manier verbruiken ze bij dezelfde datasnelheid veel meer vermogen dan hun NRZ tegenhangers. Het team van IDLab en de Photonics Research Group realiseerden een unieke oplossing om laagvermogen 112Gb/s PAM-4 transmissie mogelijk te maken. In plaats van in het elektrisch domein over te gaan van bits naar een analoog signaal, gaan ze van bits in het elektrisch domein naar een analoog signaal in het optisch domein. Door deze digitaal-naar-optische convertoren te gebruiken, kan de digitaal-naar-analoge conversie worden uitgesteld naar het optisch domein. En dat verkleint op zijn beurt de complexiteit en het vermogenverbruik aan de kant van de transmitter. Daarnaast, in plaats van een enkelvoudige modulator te gebruiken, stellen ze een nieuwe transmitter-topologie voor gebaseerd op de samenvoeging van twee parallelle 56Gb/s NRZ elektro-absorptiemodulatoren. Door een 33%-66% vermogen-split en een 90 faseverschil tussen de twee modulatoren te voorzien, kan een even groot PAM-4 oog worden bekomen. Met deze innovatieve oplossing werd niet langer een lineariteits-eis opgelegd aan de elektronica en modulatoren van de transmitter. Met deze DACloze en DSP-loze transmitter worden 112Gb/s PAM-4 transmissies mogelijk over 2km single mode vezel, met open ogen bij 112Gb/s. (Links) voorgestelde topologie voor de PAM-4 transmitter en (rechts) optisch oogdiagram. 6/10

Optische en elektrische interfaces om de optische module te verbinden Si-fotonica biedt een sterk geïntegreerd platform voor de co-integratie van Si golfgeleiders, en actieve zowel als passieve componenten. Elektronische circuits kunnen op een aparte chip worden gemaakt en geassembleerd met de Si-fotonica-circuits via flip-chip assemblagemethodes. Maar de optische module moet ook verbonden worden met de single mode vezels, met een zo laag mogelijk optisch verlies en aanvaardbare verpakkingskost. De optische module moet ook nog verbonden worden met een application-specific integrated circuit (ASIC) of field-programmable gate array (FPGA) die zich elders in de verpakking bevinden. Daarvoor zijn dicht opeengepakte en heel snelle elektrische interconnects nodig. Daarom moeten de optische en elektrische interfaces geco-integreerd worden met de snelle optische componenten die hierboven werden besproken om te komen tot een echte Si-fotonica interposer. De belangrijkste metrieken voor de optische interface zijn de optische koppelings-efficiëntie, de spectrale bandbreedte en gevoeligheid aan polarisatie. Voor de koppeling met single mode fibers heeft imec optische breedband edge couplers ontworpen, gemaakt en getest. Hiervoor gebruikten ze een hybride platform dat bestaat uit een Si-fotonicalaag gecombineerd met een Si-nitride fotonica-laag. Innovaties aan deze materiaalstapel hebben geleid tot een geoptimaliseerde koppelingsefficiëntie, beter dan -2,5dB voor werking in de O-band, en beter dan -2dB voor werking in de C- en L-banden, met minder dan 0,5dB polarisatie-gevoeligheid. Om hoge-dichtheids elektrische verbindingen over korte afstanden mogelijk te maken, werden 10µm x 100µm through-si via s (TSVs) geco-integreerd met imecs Si-fotonica platform op 300mm SOI wafers. Deze verbinden de ASIC of FPGA met de CMOS driver en TIA circuits doorheen de Sifotonica interposer. Metingen konden hoge-snelheids TSVs aantonen, met een elektrische 3dB bandbreedte groter dan 50GHz. Si-fotonica interposer: systeemoverzicht. 7/10

Besluit Dit artikel gaf een overzicht van de nieuwste ontwikkelingen in imecs Si-fotonica interposer technologie, waarmee kleine, energiezuinige en goedkope transceivers beoogd worden voor 400Gb/s (en snellere) optische verbindingen. Door gebruik te maken van imecs Si-fotonica platform konden eerst heel snelle modulatoren en fotodetectoren worden ontwikkeld, die kunnen werken bij 56Gb/s NRZ. Met deze componenten als bouwstenen konden datasnelheden van 112Gb/s bekomen worden ( single channel ) door gebruik te maken van PAM-4, een geavanceerd modulatieformat voorgesteld door de industrie om 400Gb/s optische links te maken. Daarnaast werd aangetoond dat ook NRZ en EDB een elegant en realistisch alternatief vormen voor 100Gb/s single lane optische kanalen. En tenslotte werden breedbandige optische en elektrische interfaces voorgesteld om een efficiënte koppeling mogelijk te maken met de single mode vezel en de elektrische chips, respectievelijk. Daarmee kan een 50GHz Si-fotonica interposer platform worden gerealiseerd. Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd in Photonics Spectra, juli 2018. Meer weten? Deze resultaten werden voorgesteld in drie invited papers tijdens de Optical Fiber Communications Conference (OFC 2018), die doorging in San Diego in maart 2018. De papers kunnen opgevraagd worden via deze link. Biografie Johan Bauwelinck Johan Bauwelinck is a professor in IDLab, an imec research group at Ghent University, where he is leading the Design lab. His research focuses on high-speed, high-frequency integrated circuits and systems for next generation transport, metro, access, datacenter and radio-over-fiber networks. He has promoted 19 PhDs and co-authored more than 200 publications and 10 patents in the field of high-speed electronics and fiber-optic communication. He is a member of the ECOC technical program committee. 8/10

Biografie Gunther Roelkens Gunther Roelkens is a full professor at the Photonics Research Group, an imec research group at Ghent University, where he is leading the work on silicon photonics high-speed optical transceivers and III-V-on-silicon heterogeneous integration. He has promoted 17 PhDs and co-authored more than 500 publications and 15 patents in the field of photonic integrated circuits. He received an ERC grant (MIRACLE) to start research in the field of mid-infrared photonic integrated circuits. He is a member of the OFC technical program committee. Biografie Philippe Absil Philippe Absil, PhD is the director of the 3D and optical I/O technologies department at imec since 2013 and has been responsible for the silicon photonics technology platform development since 2010. Before that he spent seven years managing the advanced CMOS scaling program at imec. In the early 2000 s he developed the passive photonics platform technology for Little Optics Inc., Maryland, USA. He earned his PhD degree in 2000 from the department of electrical engineering of the University of Maryland at College Park, USA. His doctoral work contributed to the early demonstrations of semiconductor micro-ring resonators. 9/10

Biografie Joris Van Campenhout Joris Van Campenhout is director of the Optical I/O industry-affiliation R&D program at imec (Belgium), which targets the development of a scalable and industrially viable short-reach optical interconnect technology based on silicon photonics. Prior to joining imec in 2010, he was a post-doctoral researcher at IBM s TJ Watson Research Center (USA), where he developed silicon electro-optic switches for chip-level reconfigurable optical networks. He obtained a PhD degree in Electrical Engineering from Ghent University (Belgium) in 2007, for his work on hybrid integration of electrically driven III-V microdisk lasers on silicon photonic waveguide circuits. Joris holds 7 patents and has authored or co-authored over 100 papers in the field of silicon integrated photonics. 10/10