Silicon photonics for routing and transceiver systems in WDM chip-to-chip optical interconnects
Authors: Πίτρης Στυλιανός 
Published: September 2021

Η τελευταία δεκαετία καθορίστηκε από την εκθετική αύξηση των δεδομένων τα οποία επεξεργάζονται σε Κέντρα Δεδομένων (ΚΔ) και ασκούν τεράστια πίεση, υπολογιστικά και επικοινωνιακά. Οι οπτικές διασυνδέσεις πυριτίου έχουν εισχωρήσει σε όλα τα επίπεδα διασύνδεσης των ΚΔ με στόχο την αύξηση του εύρους ζώνης και τη μείωση της καθυστέρησης, στοχεύοντας ακόμα και σε εφαρμογές οπτικά-διασυνδεδεμένων πλακετών πολύ-επεξεργαστικών συστημάτων (MSBs) αυξημένης υπολογιστικής ισχύος και χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Η παρούσα διατριβή συνείσφερε με την ανάπτυξη οπτικών πομποδεκτών υπερ-υψηλών ταχυτήτων (≥40 Gb/s) πολυπλεξίας μήκους κύματος (WDM) και παθητικών δρομολογητών βασισμένων σε φράγματα συστοιχίας κυματοδηγών (AWGR) για λειτουργία στην O-μπάντα και την ενσωμάτωσή τους σε αρχιτεκτονικές MSBs πλινθίου-σε-πλινθίο (C2C) με σκοπό την αντιμετώπιση των περιορισμών των ηλεκτρικών διασυνδέσεων σε υπολογιστικά συστήματα υψηλής απόδοσης. Αναπτύχθηκε ένας 8×8 παθητικός δρομολογητής πυριτίου AWGR για λειτουργία στην Ο-μπάντα, ο οποίος σχεδιάστηκε με αραιή (CWDM) απόσταση καναλιών 10 nm. Ο χαρακτηρισμός επέδειξε σωστή λειτουργία κυκλικής συχνότητας με απώλειες καναλιών μεταξύ 2.5-6.05 dB (μη ομοιομορφία=3.55 dB) και συνακρόαση (XT) 11 dB. Ο δρομολογητής χρησιμοποιήθηκε σε πειράματα δρομολόγησης δεδομένων 25 Gb/s. Προτάθηκε μια νέα τεχνική μετάδοσης σημάτων σε αποσυντονισμένα μήκη κύματος για την αντιμετώπιση του περιορισμού λόγω ενδοζωνικής παρεμβολής σε πλήρως-διασυνδεδεμένα συστήματα AWGR με μη-βέλτιστη συνακρόαση και επικυρώθηκε πειραματικά χρησιμοποιώντας τον 8×8 AWGR. Αναπτύχθηκαν δύο WDM οπτικοί πομποδέκτες πυριτίου 4- και 8-καναλιών αντίστοιχα, για λειτουργία στην Ο-μπάντα. Οι πομποδέκτες βασίστηκαν σε διαμορφωτές δακτυλίου (RM) για χαμηλή κατανάλωσης ενέργειας, μικρό μέγεθος και υψηλό εύρος ζώνης και ήταν οι πρώτοι παγκοσμίως με δυνατότητες πομπού 160 Gb/s και 400 Gb/s μεταξύ των WDM πομπών πυριτίου, βασιζόμενοι σε υψίρυθμα κανάλια και σε όχι αυξημένο αριθμό καναλιών είτε διαμόρφωσης ανώτερης τάξης. Σε επίπεδο αρχιτεκτονικής, προτάθηκε μια C2C οπτική διασύνδεση AWGR για MSBs στην Ο-μπάντα υπερβαίνοντας σημαντικά τον ρυθμό δεδομένων σε σχέση με όλες τις AWGR-διασυνδέσεις για MSBs οι οποίες και έχουν επιδειχθεί στη C-μπάντα. Η διασύνδεση επικυρώθηκε πειραματικά με προσφάτως-ανεπτυγμένα υψίρυθμα και ενεργειακώς- αποδοτικά φωτονικά κυκλώματα στην Ο-μπάντα: έναν διαμορφωτή δακτυλίου πυριτίου ως πομπό, μία φωτοδίοδο τεχνολογίας φωσφιδίου του ινδίου με ενισχυτή διαντίστασης (ΤΙΑ) ως δέκτη και τον 8×8 AWGR. Η αξιολόγηση περιελάμβανε 8 σενάρια δρομολόγησης με σήματα 8×25 Gb/s και 8×40 Gb/s που αντιπροσώπευαν δρομολόγηση δεδομένων μεταξύ επεξεργαστών. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική δύναται να προσφέρει έως και 69% καλύτερη ενεργειακή απόδοση στην οπτική ζεύξη έναντι της κυρίαρχης Intel QPI, το οποίο έρχεται σε συνδυασμό με υψηλή κλιμάκωσης και συνολικό εύρος ζώνης. Τέλος, προτάθηκε μια “φιλική ως-προς-την-πολλαπλή-εκπομπή” εκδοχή της C2C AWGR-οπτικής διασύνδεσης με σκοπό να διαχειρίζεται ενεργειακώς-αποδοτικά τις πολλαπλές εκπομπές στις MSBs, πχ. μηνύματα συνοχής cache. Η βελτιωμένη αρχιτεκτονική βασίστηκε στην ενσωμάτωση ενός επιπλέον διαμορφωτή Mach-Zehnder (ΜΖΜ) στους πομπούς στοχεύοντας στη μείωση της κατανάλωση ενέργειας από τους ΔΔ κατά τις πολλαπλές εκπομπές. Η αρχιτεκτονική επικυρώθηκε πειραματικά με τη χρήση ενός διαμορφωτή πυριτίου MZM ως πομπού και του 8×8 AWGR σε ταυτόχρονη WDM μετάδοση δύο σημάτων 2×25 Gb/s, υποσχόμενη βελτιώσεις έως κατά 7% στην ενεργειακή απόδοσης της ζεύξης σε σχέση με την αρχική αρχιτεκτονική πομπών διαμορφωτών δακτυλίου οδηγώντας σε 76% βελτίωση σε σύγκριση με το Intel QPI.