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Silizium-Photonik und Laser in optischen 100G-Transceiver

Migelle

Übersetzer*in Felix
25. Oktober 2019

Die 100G-Netzwerkarchitektur wird nach und nach zum Mainstream bei der Bereitstellung von Rechenzentrumsnetzwerken und treibt den Boom des 100G-Transceivermarktes voran. Langfristig besteht immer noch Bedarf an der Aufrüstung von Rechenzentren. In der Branche wird allgemein angenommen, dass sich das Netzwerk in Richtung 400G-Netzwerkarchitektur entwickeln und die Marktnachfrage und die technische Innovation des optischen 400G-Moduls vorantreiben wird. In der Zwischenzeit wurde die Silizium-Photonik, eine neue Methode, bei der die Prinzipien der Glasfaser in den Bauteilen der größten Unternehmen der Branche, darunter Intel, IBM und HP, eingeführt.

Der Laser von Glasfaser-Transceivern

Laser sind das Kernstück optischer Transceiver, die Strom in Halbleitermaterialien injizieren und durch die Photonenschwingungen und -verstärkungen im Resonator Laserlicht einkoppeln. Mit 60% der Kosten des Transceivermoduls ist der Laser eng mit der Übertragungsstrecke des Transceivers verbunden. Typische Lasertypen auf dem Markt sind VCSEL, FP, DFB, DML und EML. Die folgende Tabelle zeigt deren Wellenlängen, Arbeitsmuster und Anwendungen.

Laser
Wellenlänge Arbeitsmethode Anwendung
VCSEL 850nm Emittierende Oberfläche (Surface Emitting) <200M
FP 1310nm/1550nm Emittierende Kante (Edge Emitting) 500M-10KM
DFB
1310nm/1550nm Emittierende Kante (Edge Emitting) 40KM
DML 1310nm/1550nm Direkte Modulation 500M-10KM
EML 1310nm/1550nm

Externe Modulation;

Electro Absorption Modulation

40KM

QSFP28 100G Optischer Transceiver-Laser und Silizium-Photonik

Der VCSEL-Laser zeichnet sich durch seine geringe Größe, hohe Kopplungsrate, geringen Stromverbrauch und einen niedrigen Preis aus, was den optischen Transceiver 100G-SR4 QSFP28 begünstigt, der hauptsächlich im 100G-Multimode-Fasernetzwerk eingesetzt wird.

Der EML hat eine geringere Wellenlängendispersion und eine stabile Wellenlänge im Hochgeschwindigkeitsbetrieb. Der Frequenzgang des EML hängt von der Kapazität des EAM-Abschnitts ab und kann selbst oberhalb von 40 GHz hohe Betriebsgeschwindigkeiten erreichen. Er wird häufig von 100G-ER4 und 100G-LR4 QSFP28 Transceivern übernommen, die für Anwendungen über Singlemode-Faser (SMF) mit Übertragungsdistanzen von bis zu 10 km ausgelegt sind.

DMLs werden hauptsächlich für relativ niedrige Geschwindigkeiten (≤25Gbps) und kürzere Reichweiten (2-10 km) in Telekommunikations- und Datenkommunikationsanwendungen verwendet, da sie im Vergleich zu EMLs eine größere chromatische Dispersion, einen niedrigeren Frequenzgang und ein relativ niedriges Extinktionsverhältnis aufweisen. 100G-CWDM4 QSFP28-Optiken für CWDM-Programme über 2 km verwenden häufig den DML-Laser.

Was den 100G-PSM4 QSFP28 Transceiver betrifft, so gibt es einen neuen Durchbruch in der Chiptechnologie, da Intel Volumenlieferungen von optischen 100 Gbps PSM4 Transceivern realisiert hat, die die Silizium-Photonik-Technologie nutzen. Darüber hinaus lässt der Kostenvorteil den Transceiver 80% des Marktanteils von PSM4-Produkten besetzen.

Vorteile und Herausforderungen der Silizium-Photonik in der optischen 100G-Transceiver-Industrie

Derzeit ist der technologische Weg der kommerziellen Produkte der optischen Integration hauptsächlich in InP und Si unterteilt. Laser wie DFB, DML, EML gehören zu InP, das technologisch relativ ausgereift, aber teuer und mit dem CMOS-Prozess nicht kompatibel ist und dessen Substratmaterial sich nur alle 2,6 Jahre verdoppelt. Die Si-Silizium-Photonik kann in großem Maßstab durch passive optoelektronische Bauelemente und integrierte Schaltkreise mit dem CMOS-Prozess integriert werden. Es zeichnet sich durch die hohe Dichte aus und das Substratmaterial verdoppelt sich jedes Jahr.

Derzeit hat der 100G-Transceiver mit dem Debüt des Intel Silizium-Photonik-Transceivers die glänzende Zukunft in der Silizium-Photonik mit sich gebracht, stieß jedoch bei der Entwicklung auf einige Herausforderungen.

Der Ansatz, die Photonik mit siliziumbasierter Mikroelektronik zu integrieren, soll erreicht werden. Silizium ist ein indirekter Bandgap-Halbleiter, der nicht in der Lage ist, Licht effizient zu emittieren, daher wird das unabhängige Licht benötigt, das jedoch nicht dem Moore'schen Gesetz entspricht. Je mehr die Integration gekoppelt ist, desto höher sind die Kosten, was letztendlich die Kostenvorteile von Siliziummaterialien und Prozessintegration ausgleicht.

Außerdem ist der Silizium-Photonik-Transceiver schwer zu verpacken, mit geringer Ausbeute. Die Herstellung der Silizium-Photonik-Schnittstelle befindet sich im Anfangsstadium, wobei das Hauptproblem in der Verpackung der optischen Schnittstelle liegt, die aus einem optoelektronischen Chip und einem optischen Faserarray besteht, die eine hohe Präzision erfordert, aber einen geringen Wirkungsgrad aufweist. Mit der derzeitigen Technologie ist es schwierig, qualitativ hochwertige, kostengünstige Verpackungen zu erreichen. Noch schlimmer ist, dass die Produktausbeute die Massenproduktion von Silizium-Photonik-Transceivern behindert.

Wird die Silizium-Photonik die 400G Datencenter-Transceiver dominieren?

Die Silizium-Photonik ist langfristig ein unwiderstehlicher Trend in der Industrie der optischen 100G-Transceiver und könnte auch in den Markt der 400G-Transceiver eindringen.

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Obwohl die vorgeschlagene mehrkanalige kohärente Technologie die Anforderungen an den Laserchip senkt, sind die Gesamtkosten höher. Die Einkanaltechnologie stellt jedoch wesentlich höhere Anforderungen an die Chips. Im Falle des optischen 100G-Moduls ist der traditionelle Laser nahe an der Bandbreitengrenze, und der einzig mögliche EML-Laser hat relativ hohe Kosten. Vor diesem Hintergrund könnte die Silizium-Photonik in der 400G-Ära zum Mainstream werden, wenn die oben genannten Herausforderungen bewältigt werden.

Fazit

Obwohl die Silizium-Photonik-Transceiver-Optik in der Ära der optischen 400G-Module zum Mainstream werden könnten, überwiegt im Moment noch das 100G-Netz. 100G QSFP28 Optical Module Laser werden immer noch von VCSEL, EML und DML dominiert. Der Einsatz von 100G-Ethernet-Rechenzentren hat viel Aufmerksamkeit auf die Silizium-Photonik gelenkt; viele der optischen 100G-Transceiver-Module werden bereits mit Silizium-Photonik-Technologie hergestellt.

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