Imec扩大硅光子产品组合 目标指向下一代数据中心互联

Imec扩大硅光子产品组合 目标指向下一代数据中心互联

随着云计算、虚拟现实、高清视频等宽带业务的发展,下一代数据中心光互连亟需将单通道速率从当前的100
Gbps升级到200
Gbps。纯硅基材料的电光调制器由于具有成本低、尺寸小、CMOS工艺兼容性等优点,故成为未来高速光互连非常有竞争力的解决方案。

原标题:Imec扩大硅光子产品组合 目标指向下一代数据中心互联

光互连技术

直接与光纤接口的光设备依赖于光互连技术,其从网络设备获取数字信号,执行信号处理以将数字信号转换为光信号以通过光纤网络传输,然后在接收侧执行反向功能。这些技术还结合了先进的信号处理,可以监控,管理和减少发送和接收侧之间的光纤连接中的错误和信号损伤。先进的光互连技术可以通过提高光设备和路由器以及交换机的能力和容量来提高网络性能,同时降低运营成本。

决定性能和容量的先进光学互连技术的关键特性包括:

  • 速度。速度是指信息可以通过光通道传输的速率,以Gbps为单位。
  • 密度。密度是指光学互连技术的物理足迹。密度主要是该技术的尺寸和功率消耗的函数。
  • 鲁棒性。鲁棒性是指光互连技术补偿通过光纤网络累积的信号损伤并防止和纠正网络引入的误差的能力。
  • 能量消耗。功耗是指光互连技术消耗的电量。较低的功率消耗允许提高密度和产品可靠性,并导致降低的电和冷却的操作费用。
  • 自动化。自动化是指光互连技术处理历史上需要手动执行的网络任务(例如激活和信道供应)的能力。
  • 可管理性。可管理性是指光互连技术监控网络性能并轻松高效地检测和解决网络问题的能力,这有助于提高可靠性并减少持续的维护和操作需求。

当他们构建他们的网络服务产品时,云和服务提供商和网络设备制造商根据他们面临的特定需求和挑战不同地权衡这些特性。例如,操作在波士顿和旧金山之间传输大量数据的长途网络的云或服务提供商在它们的网络中具有相对较少的连接点,并且可能对光互连的速度和可管理性更加敏感,并且不太关注功耗。相比之下,运营城际或城内网络的地铁网络运营商或云或服务提供商可能面临空间和功率限制,以及不断变化的工作负载需求,并且最关注密度,功耗和自动化。

这些特性的改进可以导致网络设备制造商的开发成本的降低,否则这些设备制造商可能需要开发他们自己的光互连技术。此外,这些特性的改进可以导致将第三方光互连技术并入其设备中的网络设备制造商的购置和开发成本的降低,这又可以降低云和服务提供商的资本成本。此外,功率消耗,自动化和可管理性的改进可以导致云和服务提供商的降低的操作成本。

据最新一期《纳米快报》报道,美国研究人员设计并制造出了目前世界上最小的电光调制器,这或许意味着未来数据中心和超级计算机所使用的能源将得到大幅削减。

日前,北京大学信息科学技术学院电子学系、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室张帆教授课题组在相关研究方向取得重要进展。他们基于22
GHz带宽的硅基双驱动行波调制器,成功演示了80
Gbaud的六电平强度调制信号产生,实现单通道200
Gbps速率的硅基光调制芯片——这是目前纯硅基光强度调制器所达到的最大速率。随后,进一步采用
88 Gbaud的四电平强度调制,产生176 Gbps速率的信号,并完成1
km短距离光互连——这是目前硅基调制芯片光互连的最高单通道数据速率。他们在发射端对信号进行奈奎斯特整形,以降低对器件带宽的需求;在接收端数字信号处理中引入数字后滤波器和最大似然序列检测算法,抑制均衡增强的高频带内噪声,有效弥补了器件带宽不足的限制。该研究表明与具有数字信号处理功能的专用集成电路芯片共同封装的传统硅光调制器对单通道200
G数据中心光互连应用具有巨大潜力。

在ECOC2019期间,全球领先的纳米电子和数字技术研究与创新中心Imec,联合根特大学Imec研究实验室IDLab和Photonics
Research
Group,共同发布硅光子(SiPho)技术研究里程碑式的重要成果,其展示的建造架构可为下一代数据中心交换机400Gb/s和更高速的光学链路,以及共同封装(co-packaged
)光器件提供可实现的途径,这些光器件将是未来数据中心数据传输的关键技术。本次成果亮点包括:硅通孔(TSV)辅助、高密度(Tbps/mm2)
CMOS-SiPho光收发器样机、低功率106Gb/s PAM4
SiPho发射机、高速的锗/硅APD和超宽带低损耗单模光纤耦合器。

相干光互连技术

通过光信号传输信息的传统技术使用光信号的简单“开/关”操纵或调制。这些传统技术对于10Gbps以下的传输速度是足够的,因为单独的光学设备可以用于监视光纤连接并补偿光信号在光纤中传播时的衰减。然而,在超过10Gbps的传输速度下,使用传统技术来补偿光信号的衰减变得越来越困难。此外,这些传统技术需要繁琐且昂贵的设备,并且不能满足网络运营商对高质量信号的需求。在2000年代中期,引入了通过相干通信技术和数字信号处理实现的高级调制技术,以增加高于10Gbps的传输速度。然而,这些先进的调制技术需要显著改变底层的光互连技术的架构。

相干通信是通过光信号发送和接收信息的更复杂的方法。相干技术能够更好地利用复杂格式来操纵信号的幅度和相位,以产生对信号劣化具有更好弹性的更高数据传输速率。相干通信实现了强大的数字信号处理,以数字方式对信号衰减的影响进行抵消,而这些影响以前通过一系列离散元件和昂贵的技术(如光学色散补偿)才能管理。通过利用相干通信技术,一些云和服务提供商现在能够以高达400Gbps的传输速度操作网络,并且越来越多地计划采用能够实现1000Gbps及以上传输速度的技术。这些提供商需要先进的相干光互连解决方案。

相干互连技术中的数字信号处理发生在称为相干DSP
ASIC的专用集成电路中。构建一致的DSP
ASIC是一项多学科工作,需要对光学系统,传输,通信理论,数字信号处理算法和混合信号设计等多种复杂技术的先进知识,以及复杂通信ASIC的开发和验证。为了完成互连解决方案,相干DSP
ASIC必须与许多光子功能(例如调制和发射/接收)结合使用。这些功能传统上由几个分离的,庞大的,昂贵的部件执行,这些部件必须由网络设备制造商购买并且在部署之前被设计到定制的接口电路板中。光子集成电路(PIC)的开发通过将多个光子功能紧密地集成到小的集成电路中而实现了尺寸和成本的显着改善。

电光调制器在光纤网络中起着关键作用。就像晶体管作为电信号的开关一样,电光调制器可用作光信号的开关。光通信使用光,所以调制器用于打开和关闭在光纤中发送二进制信号流的光。

以上工作以《达到单通道200G的硅光调制光互连》为题,在2019年3月3—7日美国圣地亚哥举行的2019年国际光纤通信会议上作为PDP论文发表;信息学院博士研究生朱逸萧、杨帆、张磊等发挥了重要作用。据悉,该系列会议的PDP论文旨在发布光通信领域的最新技术进展和纪录性成果,代表着领域当前最高技术水平。在四十多年的会议历史上,共发表PDP论文千余篇,中国大陆研究机构作为第一单位仅发表8篇。其他7篇均由多家国内外单位合作完成。上述论文既是本届大会21篇PDP论文中以中国大陆机构作为第一单位的唯一一篇,更是自1975年会议创办起中国大陆机构作为唯一单位独立完成的首篇OFC会议PDP论文。

众所周知,互联网的指数级增长和相关应用推动了数据中心部署光互联技术来实现可持续增长的性能,更低的功耗和更小的空间。未来五年,数据中心光学链路的容量将以四个100Gb/s
PAM4通道的复用方式,实现向400Gb/s的升级演进。这样一来,单个数据中心交换机需要处理的带宽总量将达51.2Tb/s,需要搭载超高密度硅光子收发器技术,以及高度集成并采用共同封装的交换机CMOS芯片。

硅化光互连技术

使用硅构建先进的光学互连产品可以降低光互连技术的复杂性和成本,同时提高网络性能,加快光网络行业的创新步伐。

光学互连的硅化允许我们将先前不同的光学功能集成到单个解决方案中,从而显着提高密度和成本,并允许我们从CMOS的不断进步中受益。我们的光互连解决方案包括执行大多数数字信号处理和光学功能所需的复杂模块,以便在长途,城域和数据中心网络中以100
Gbps及以上的速度处理网络流量。我们的模块以简单,开放,高性能的形式满足云和光服务提供商对光互连产品的需求,可以轻松地与现有网络设备以成本效益的方式集成。

我们的光互连产品由我们内部开发和专用的相干DSP
ASIC和/或硅PIC供电。我们的相干DSP
ASIC和硅PIC设计每个都集成了许多信号处理和光学功能,一起提供一个完整的,具有成本效益的高速相干光互连解决方案,面积小,且低功耗,并提供显着的自动化和管理能力。我们相信,我们高度集成的,基于相干DSP
ASIC和硅PIC的光互连模块,在市场推出时,是业界第一个提供100
Gbps及更高的传输速度的互连模块。在引入我们高度集成的光互连模块之前,我们相信这些传输速度在工业标准形状的模块中是不可能的,除非牺牲信号质量或其他性能特性。例如,我们的基于行业标准CFP和CFP2规格的CFP和CFP2
DCO模块使云和服务提供商能够轻松地将现有的城域和数据中心网络升级到100
Gbps和200
Gbps,部署设备机箱或具有CFP插槽功能的新设计的网络设备。此外,通过提供集成数字信号处理和光学功能(通过高速光通道处理和传输数据所需的)的集成解决方案,我们的光互连产品减少了网络设备制造商在构建和维护高速设备时所需的资源光互连功能。

我们相信,我们是第一个以商业规模引入一致的DSP
ASIC和集成到光互连模块中的硅PIC的独立供应商。通过在CMOS兼容工艺中设计我们的硅PIC,该工艺广泛应用于半导体行业且不需要特殊封装,我们能够降低成本,提高可靠性,利用CMOS技术的持续改进优势作为,并与铸造厂签订制作我们的产品。我们的硅PIC集成了几个关键的光学功能,包括调制和发送/接收功能,并支持长距离,城域和数据中心应用的传输距离。我们相信我们的硅PIC是第一个商业上可用的PIC,以在广泛的传输距离内包括所有这些功能。通过在CMOS兼容工艺中构建我们一致的DSP
ASIC和我们的硅PIC,我们可以提高光互连的性能和效率,并从工程协同效应中受益。

俄勒冈州立大学电子与计算机学院副教授王小龙在接受科技日报记者采访时称,此项技术的创新点是在光子晶体的微腔里集成了透明氧化物—硅基MOS结构。微腔调制器可以把光场压缩到很小的范围,通过载流子富集形成很强的电光调制效应,从而在很小的区间内实现很大的电光调制。

相关研究工作受到国家自然科学基金重点项目支持。

为了帮助行业应对这些挑战性和普遍性的要求,Imec携手其根特大学研究实验室正在开发关键技术建造架构,利用Imec硅光子学平台,在200mm和300mm晶圆上注入高速电子。

我们的解决方案的优势包括:

  • 行业领先的速度,密度和功耗。我们相信,我们一致的DSP
    ASIC,硅PIC和100和400
    Gbps光互连模块比同类光互连产品消耗更少的功率和更高的密度。我们的模块执行传统上由几个分立的网络设备提供的功能。
  • 整合的广度。通过将许多光子功能集成到我们的硅PIC中,并进一步将我们的硅PIC集成到我们的模块中,我们可以简化网络设备设计,减少客户开发和光学工程的数量,从而释放他们的工程资源去攻克其他网络功能。
  • 软件智能。我们的产品集成了软件智能,可自动执行任务(如通道配置),并通过高级软件功能(包括增强监控和优化)提高可管理性。
  • 成本效益。由于我们的CMOS平台的规模和工艺优势,我们能够以诱人的价格提供我们的产品。此外,我们产品的性能能力允许更大的灵活性,并可以降低网络设备制造商的设计成本和网络设计以及云或服务提供商的持续运营成本。
  • 易于部署。通过利用行业标准接口,我们的模块使云和服务提供商能够立即通过使用现有设备中的100
    Gbps或400 Gbps模块替换其传统的10 Gbps或40
    Gbps组件来提高网络的速度和容量。我们的模块也可以轻松地部署在下一代网络设备中。

王小龙表示,新研制的电光调制器可极大降低光互联器件的功耗。目前全球数据中心和超级计算机所使用的能源占据了全球电力使用量的4%—5%,数据中心的大部分功耗主要由互联产生,通过光取代电来降低系统功耗是今后的研究方向。但光互联研究的一个瓶颈在于电光转换,电光转换同样需要消耗大量能源。

原文链接:)

Imec光学I/O工程主管Joris Van
Campenhout评论:“我们的研发体系在不同级别的硅光子技术上,无论是工艺的制程集成、个体器件,还是次模组级,都实现了可持续性的改进。我们愿意在ECOC上向行业和院校分享我们的研究进展,并期待着继续帮助欧洲或其他地区通信行业更好地应对下一代光互连技术关键挑战。”

产品线

我们的光互连技术产品系列包括高性能,可扩展,具成本效益的光互连模块,这些模块植根于我们的相干DSP
ASIC和硅PIC组件。我们的产品旨在满足各种网络的特定需求,并支持每个模块100
Gbps和400 Gbps之间的传输容量。我们还有开发中的产品,我们预计将支持1,000
Gbps及以上的传输速度。我们的模块产品包含我们专有的高级系统级模块软件,通过标准化接口,实现无缝安装,配置和操作以及高水平的性能监控。我们还选择性地提供我们一致的DSP
ASIC和硅PIC元件作为独立组件。
我们已经开发和制造,销售和支持以下高速一致互连模块。

  • AC100-MSA产品系列 我们的AC100-MSA产品系列在行业标准的5“x
    7”形状规格中支持高达12,000公里距离的100 Gbps传输速度。
    我们的AC100-MSA产品系列中的模块依靠先进的软判决前向纠错或FEC,主要用于地铁和长途应用。
  • AC100-CFP产品系列
    我们的AC100-CFP产品系列在行业标准的可插拔CFP形状规格中支持高达2,500公里距离的100
    Gbps传输速度。我们的AC100-CFP产品系列中的模块利用我们内部开发的硅PIC技术,主要用于城域,数据中心和长途应用。
  • CFP2-DCO产品系列 我们的CFP2-DCO产品系列支持100
    Gbps传输速度,使用QPSK调制和200
    Gbps传输速度,使用8QAM和16QAM调制,在工业标准CFP2形状因数高达2,500公里的距离。该模块支持互操作的楼梯FEC,以及Acacia专有的软判决FEC,主要用于数据中心互联,城域和长途应用。
  • CFP2-ACO产品系列
    我们的CFP2-ACO产品系列使用符合光互联论坛定义的实施协议设计的符合行业标准的CFP2可插拔形状规格,支持高达2,500公里距离的高达200
    Gbps的传输速度。该模块具有模拟电接口和线性光发射器和接收器,根据所选格式支持多种调制格式和100
    Gbps和200
    Gbps的传输能力。我们的CFP2-ACO为目前依赖内部DSP功能的客户提供仅光学解决方案。
  • AC400 Flex产品系列 我们的AC400
    Flex产品系列支持5“x7”形式的每个模块的传输容量从100 Gbps到400
    Gbps。我们的AC400
    Flex产品系列中的模块可进行软件配置,以优化传输速度,光纤容量,多种应用的信号损伤和功耗补偿,包括数据中心,地铁,长途和海底应用,传输距离可达12,000公里和更大。
  • DSP ASIC和Silicon PIC
    我们的模块产品通过我们一致的DSP ASIC和硅PIC技术实现。我们的相干DSP
    ASIC集成了我们专有的信号处理算法,以满足数据中心,地铁,长途和海底市场的功率和性能要求。我们的相干硅PIC在单个封装中集成了多个相干光功能,如传输和接收。我们选择性地提供我们一致的DSP
    ASIC和硅PIC作为独立组件。

此项设计结合了材料和器件的创新,增强电子和光子之间的相互作用,从而使研究人员能够创建出一个更小的电光调制器。新调制器相比主流硅基微环电光调制器在尺寸上缩小了10倍,仅为一个细菌大小(8微米×0.6微米),有源区更是缩小到了0.06立方微米(仅仅是波长立方尺寸的2%),在理论上可将电光转换的能耗降低2—3个数量级。

Imec在EOCO期间的展示亮点之一,是业界首个带有硅通孔(TSV)辅助的混合FinFET
CMOS/硅光子收发器技术,采用NRZ调制并可运行40Gb/s速率,该样机在超低功耗下做到了令人印象深刻的带宽密度(1Tbps/mm2),给未来数据中心交换机的超密集共同封装光器件提供实现途径。

Imec和根特大学还展示了一款106Gb/s光发射机,其采用PAM4调制格式,这种四级调制格式在近年来被行业广泛采用,用作超500米距离场景的53GBd单通道传输的调制格式。相比于其他PAM4光发射机,IMEC解决方案不需要使用任何同等方式或数字信号处理,其集成两个并行的GeSi电吸收调制器,研发结果便是一个最紧凑、低功率(1.5pJ/b)光发射机,可以在超过1公里单模块光纤上实现106Gb/s的传输数据。

同时,Imec还展示其优化的边缘耦合器设计,基于一个混合Si/SiN光子学平台,相比于行业标准单模光纤,这项创新给波段堆叠(layer
stack)具备更优秀的性能,运行在O和C波段下,可达到单根光纤1.5dB耦合效率。在接收端,Imec推出了具有8和32GHz带宽的倍增增益的高速Ge/Si雪崩光电探测器(APD),在提升40Gb/s和更高速率的接收机灵敏度和光学链路预算方面表现出很高的潜力。

admin

网站地图xml地图