Silicon photonic integrated circuits for Multisocket Server Board interconnects
Creators: name: Φωτιάδης, Κωνσταντίνος Αριστείδη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2020
Subjects: Υπολογιστής υψηλής απόδοσης
Δρομολογητές συστοιχίας κυματοδηγών φραγμάτων περίθλασης
Κέντρα δεδομένων
Φωτονική πυριτίου
O-ζώνη
Δρομολόγηση μήκους κύματος
Οπτικές διασυνδέσεις
Φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα
Κυκλική συχνότητα δρομολόγησης
Διαμορφωτές μικροδακτυλίου
High Performance Computer
Arrayed waveguide grating router (AWGR)
Data Center
Silicon photonics
O-band
Wavelength routing
Optical interconnects
Photonic integrated circuits
Cyclic-frequency routing
Microring modulators

description: Οι συνεχώς αυξανόμενες εφαρμογές τόσο σε υπολογιστές υψηλής απόδοσης όσο και στο Cloud Computing δημιουργούν σήμερα υψηλές απαιτήσεις στα Κέντρα Δεδομένων (Data Center), με την κίνηση εντός του DC να αναμένεται να φθάσει το 71,5% της συνολικής κυκλοφορίας στα DCs μέχρι το 2021. Έτσι, η εκθετική αύξηση της κυκλοφορίας στα DCs που παράγεται από τις εφαρμογές 4G / 5G, το Διαδίκτυο των πραγμάτων (Internet of Things) και το Cloud Computing δημιουργεί όλο και μεγαλύτερη την ανάγκη για οπτικές διασυνδέσεις υψηλής ταχύτητας και χαμηλής ενεργειακής απόδοσης. Μια άμεση συνέπεια ήταν η μετάβαση σε ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα προκειμένου να επιτραπούν υψηλότερες ταχύτητες λειτουργίας. Οι δρομολογητές συστοιχίας κυματοδηγών φραγμάτων περίθλασης (AWGRs) έχουν αναδειχθεί ως βασικό στοιχείο τόσο για την άμεση διασύνδεση όσο και για πιο πολύπλοκες αρχιτεκτονικές δρομολόγησης και εναλλαγής δεδομένων καθώς μπορούν να παρέχουν παθητικές τοπολογίες επίπεδης διασύνδεσης απευθείας στον οπτικό τομέα υποστηρίζοντας χαμηλή λανθάνουσα κατάσταση και προσφέροντας υψηλό εύρος ζώνης. Επιπλέον, οι οπτικοί πομποί (Tx) με δυνατότητες υψηλής ταχύτητας και χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας αναδεικνύονται ως το κύριο συστατικό των διασυνδέσεων μετάδοσης εντός και εκτός των DC. Οι ολοκληρωμένοι διαμορφωτές δακτυλίου (RM) οι οποίοι βασίζονται στην τεχνολογία της πολυπλεξίας μήκους κύματος (WDM) διαδραματίζουν έναν σημαντικό ρόλο στην επόμενη γενιά των οπτικών διασυνδέσεων καθώς προσφέρουν χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, μικρό αποτύπωμα μέσα στο ολοκληρωμένο κύκλωμα και είναι συμβατά με την ήδη υπάρχουσα CMOS τεχνολογία. Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελείται από 6 κεφάλαια. Το Κεφάλαιο 1 παρέχει μια λεπτομερή περιγραφή των υπολογιστών υψηλής απόδοσης ενώ το Κεφάλαιο 2 δίνει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τα DCs. Στην συνέχεια στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η μελέτη και ο πειραματικός χαρακτηρισμός ενός 16x16 AWGR το οποίο λειτουργεί στην O-ζώνη. Έπειτα, το Κεφάλαιο 4 παρουσιάζει ένα πλήρως συναρμολογημένο υποσύστημα Tx 4x40 Gb / s Tx που περιλαμβάνει μια συστοιχία SiPho WDM RM και ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα οδηγού 4 καναλιών που τοποθετείται σε πολυμερή/ηλεκτρονική πλακέτα υψηλής ταχύτητας. Επιπροσθέτως, στο Κεφάλαιο 5 αναλύεται ένας Πομπός (Tx) που βασίζεται στην τεχνολογία WDM και παρουσιάζεται ένας δρομολογητής 8x8 για την διασύνδεση πολλαπλών υποδοχών σε μια μητρική πλακέτα. Τέλος, στο κεφάλαιο 5 αναγράφεται μία σύνοψη της πτυχιακής εργασίας με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα και γίνεται αναφορά σε πιθανές μελλοντικές ερευνητικές δραστηριότητες. Η ερευνητική ενασχόληση με το αντικείμενο της διπλωματικής οδήγησε σε μία δημοσίευση στο διεθνές συνέδριο SPIE 2020 όπου και παρουσιάστηκε αντίστοιχα. Η δημοσίευση αυτή είναι η ακόλουθη: K. Fotiadis et al, “16×16 Silicon Photonic AWGR for Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) O-band Interconnects”, SPIE Conference 2020, Proc. SPIE, vol. 11285, San Francisco, California, USA, 1-6 February 2020.
description: The emerging High-Performance Computing applications and cloud computing are currently generating vast amounts of data traffic in the Data Centers (DC) with intra-DC traffic being expected to reach up to 71.5% of the total DC traffic by 2021. So, the exponential increase in intra-Datacenter traffic generated by the 4G/5G, Internet of Things and Cloud Computing applications is currently pushing for high-speed and energy-efficient optical interconnects. A direct consequence has been the transition to integrated photonic circuits in order to allow for higher operating speeds. Arrayed Waveguide Gratings Routers (AWGRs) have emerged as a key element both for direct interconnection as well as for more complex routing and switching architectures, since they can inherently provide all-passive, non-blocking and all-to-all flat interconnection topologies directly in the optical domain supported by low-latency and high-bandwidth optical links. Furthermore, optical transmitters (Tx) with high-speed capabilities and low power consumption emerge as the main component of the intra- and inter-chip transmission links in Data Centers (DC) as commercial deployments of 100 Gb/s Ethernet (GbE) technology are a commodity and standards for the next-generation transport interface rate are now shifting to 200 GbE and 400 GbE. Silicon photonic micro-ring modulator (RM) based Wavelength Division Multiplexing (WDM) transmitters have been recognized as an attractive solution for the next-generation optical interconnects, owing to their attractive energy efficiency, small footprint and CMOS compatibility characteristics that allow for side-to-side integration with CMOS electronics in monolithic photonic-electronic transmitter platforms. The work consists of 6 chapters. Chapter 1 provides a detailed description of high-performance computers, while Chapter 2 discusses data centers advantages and disadvantages. The study and experimental design of a 16x16 O-band Arrayed Waveguide Gratings Router (AWGR) is presented in Chapter 3. Then, Chapter 4 demonstrates a fully co-packaged 4×40 Gb/s O-band Tx subassembly that comprises a SiPho WDM RM array and a 4-channel electronic driver circuit co-assembled onto a polymer high-speed RF electronic board. Furthermore, in Chapter 5 a Si-photonic O - band WDM Transmitter (Tx) and routing circuitry for 8×8 optical MSBs is presented, i.e. a 400 Gb/s 8 - channel Si - photonic ring modulator (RM) – based WDM Tx, aligned with the latest transceiver roadmap and also achieving the highest non-return-to-zero(NRZ) line-rate among 400Gb/s -capable RM - based Si WDMs. Finally, Chapter 6 consolidates the major findings of this thesis and proposes future research activity. One part of this thesis led to a publication at an international conference (SPIE conference 2020) where this work was presented in this conference. This publication is: K. Fotiadis et al, “16×16 Silicon Photonic AWGR for Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) O-band Interconnects”, SPIE Conference 2020, Proc. SPIE, vol. 11285, San Francisco, California, USA, 1-6 February 2020.