Οπτικές διασυνδέσεις υψηλής χωρητικότητας με πομποδέκτες σειριακής μετάδοσης για την διασύνδεση υπολογιστικών κέντρων

Abstract

Η σύγχρονη εποχή χαρακτηρίζεται από την δυνατότητα για άμεση ανταλλαγή πληροφοριών που δημιουργούνται είτε από ανθρώπους είτε από μηχανές. Αυτή η πληροφορία αποθηκεύεται και διακινείται από υπολογιστικά κέντρα τα οποία συνεχώς πρέπει να αναβαθμίζουν τις οπτικές διασυνδέσεις τους για να μπορούν να αντεπεξέρχονται στην ανάγκη για μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Οπτικές διασυνδέσεις 400 GbE ήδη έχουν αρχίσει να εγκαθίστανται στα υπολογιστικά κέντρα, παρόλα αυτά οι προσπάθειες ανάπτυξης του επόμενου προτύπου στα 800 ή και 1600 Gb/s έχουν ήδη ξεκινήσει. Η ανάπτυξη πομποδεκτών που θα μπορούν να μεταδίδουν σεριακά σε ταχύτητες υψηλότερες των 50 Gbaud είναι κλειδί προς την επίτευξη αυτού του στόχου καθώς η αύξηση της χωρητικότητας μέσω της αύξησης των γραμμών περιορίζεται από το μέγεθος του πομποδέκτη. Επίσης μελλοντικά είναι πολύ πιθανόν να χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με τους ηλεκτρικούς διακόπτες, κι οπτικοί διακόπτες που θα βασίζονται στην οπτική μεταγωγή κυκλώματος (OCS), για την πραγματοποίηση υβριδικών και αργότερα ίσως αμιγώς οπτικών αρχιτεκτονικών. Οι κυριότερες αρχιτεκτονικές υπολογιστικών κέντρων σε εφαρμογή σήμερα είναι οι τριών επιπέδων (three-tier, fat-tree και leaf-spine), με την τελευταία να υιοθετείται από τους μεγάλους χρήστες (FaceBook, Microsoft) καθώς προσπαθεί να μετατρέψει ένα επίπεδο δίκτυο αξιοποιώντας την οργάνωση των εξυπηρετητών σε μικρού μεγέθους δεξαμενές (pods) με καθορισμένο και σταθερό αριθμό από server rack, αντί των μεγαλύτερων cluster.

Η παρούσα διατριβή εστιάζει στις προσπάθειες που έγιναν προς την κατεύθυνση της ανάπτυξης ενός πομπού 2x100 Gb/s, και ενός πομπού μεταβλητού μήκους κύματος 100 Gb/s, που θα βασίζονταν σε ένα νέο ηλεκτρο-οπτικό πολυμερές υλικό για την κατασκευή των πολύ γρήγορων διαμορφωτών και στον σχεδιασμό νέων φωτονικών δομών σε αυτό το υλικό ώστε να χρησιμοποιηθούν σαν δομικά στοιχεία στους πομπούς νέας γενιάς.

Ιστορικά, η επίτευξη υπερηψυλών ταχυτήτων σε οπτική μετάδοση πραγματοποιούταν με χρήση οπτικής πολυπλεξίας στο πεδίο του χρόνου (OTDM), λόγω της έλλειψης ηλεκτρονικών και οπτοηλεκτρονικών στοιχείων με μεγάλο εύρος ζώνης, όπως ηλεκτρονικά κυκλώματα γέννησης παλμών, κυκλώματα ενίσχυσης, οπτικοί διαμορφωτές, για να υποστηρίξουν μια αλυσίδα εξαρτημάτων ικανών για γέννηση σημάτων απευθείας στα 100 Gb/s. Στην OTDM το οπτικό σήμα ξεκινούσε από χαμηλότερη ταχύτητα και πολυπλεκόταν μέχρι να φτάσει στο επιθυμητό ρυθμό μετάδοσης. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιούταν στα δίκτυα κορμού και χρησιμοποιούσε παλμούς RZ-OOK που είναι στενότεροι στο χρόνο για να αξιοποιήσει όλο το διαθέσιμο φάσμα της ίνας. Στα σημεία διεπαφής του δικτύου κορμού με τα μητροπολιτικά δίκτυα, όπου σε αυτά κυριαρχεί η πολυπλεξία στην συχνότητα (WDM), οι ευρείς φασματικά παλμοί RZ-OOK πρέπει να μετατραπούν στους αποδοτικότερους από άποψη χρήσης φάσματος, NRZ-OOK. Για τον σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ένας αμιγώς οπτικός μετατροπέας βασισμένος σε γραμμές καθυστέρησης κατασκευασμένες σε ολοκληρωμένο φωτονικό κύκλωμα. Ο μετατροπέας μελετήθηκε με λογισμικό προσομοίωσης όπου επιδείχθηκε η καλή λειτουργία του με σήματα OOK, DPSK αλλά και ανώτερης τάξης 16-QAM. Πειραματικά επιδείχθηκε η καλή λειτουργία της RZ-DPSK σε NRZ-DPSK μετατροπής σε ρυθμό 40 Gb/s.

Ενναλακτική τεχνική για την επίτευξη υψηλών ταχυτήτων είναι η ηλεκτρονική πολυπλεξία στο χρόνο. Με αυτήν την τεχνική, έχουν επιτευχθεί ταχύτητες 100 Gb/s παλιότερα, αλλά δεν υπήρχαν διαθέσιμα ηλεκτρονικά κυκλώματα οδήγησης και γρήγοροι οπτικοί διαμορφωτές βασισμένοι σε νέο ηλεκτρο-οπτικό πολυμερές υλικό. Η διαθεσιμότητα ηλεκτρικών drivers και οπτικών διαμορφωτών με μεγάλο εύρος ζώνης επέτρεψε την ανάπτυξη του πρώτου ολοκληρωμένου πομπού σειριακής μετάδοσης στα 100 Gb/s.

Η περαιτέρω κλιμάκωση του πομπού στα 2x100 Gb/s χρειαζόταν την ανάπτυξη νέων παθητικών φωτονικών δομών στο ηλεκτροοπτικό πολυμερές όπως 1x2 και 1x4 ΜΜΙ συζεύκτες που θα λειτουργούσαν ως διαχωριστές ισχύος, για να χωρίσουν την οπτική ισχύ μιας διόδου DFB στον πομπό σε 2 ή 4 ίσα μέρη τροφοδοτώντας αντίστοιχους διαμορφωτές. Οι δομές σχεδιάστηκαν και προσομοιώθηκαν σε κατάλληλο λογισμικό με υπολογισμένες τιμές απωλειών κάτω από 1 dB και ανισορροπία μεταξύ των θυρών κάτω από 0.5 dB. Στην συνέχεια κατασκευάστηκαν σε τσιπ και χαρακτηρίστηκαν ως προς τις απώλειες και την ανισορροπία σε κατάλληλους σταθμούς εργασίας, με τις μετρήσεις να επιβεβαιώνουν την επίτευξη των στοχευμένων τιμών στους 1x2 ΜΜΙ σε ένα εύρος ζώνης μεγαλύτερο από 100 nm και κάποιες αποκλίσεις στους 1x4. Οι 1x2 δομές με την καλύτερη απόδοση χαρακτηρίστηκαν και με υπέρυθρη κάμερα όπου διακρίνονταν καθαρά δυο ρυθμοί. Αυτές οι δομές επιλέχθηκαν για ολοκλήρωση με μια συστοιχία δυο οπτικών διαμορφωτών για την δημιουργία του οπτικού υποσυνόλου. Στην συνέχεια έγινε συναρμογή του οπτικού υποσυνόλου με τα ηλεκτρονικά κυκλώματα οδήγησης για την δημιουργία του πομπού 2x100 Gb/s. Ο πομπός χαρακτηρίστηκε ως προς τα στατικά χαρακτηριστικά των συναρτήσεων μεταφοράς, επιβεβαιώθηκε η καλή λειτουργία του ολοκληρωμένου ΜΜΙ και επίσης καταγράφηκε το διαμορφωμένο οπτικό φάσμα στα 2x80 και 2x100 Gb/s. Η πειραματική διάταξη βασιζόταν σε ηλεκτρονική πολυπλεξία για την δημιουργία των ηλεκτρικών σημάτων που τροφοδοτούνταν στον πομπό. Συνδυάστηκε με έναν δέκτη 4x100 Gb/s για την δημιουργία μιας οπτικής διασύνδεσης και πραγματοποιήθηκαν πειράματα μετάδοσης στα 80 και 100 Gb/s μέχρι 1625 m μετρώντας τον ρυθμό λαθών. Ο πομπός είχε error-free} επίδοση στα 80 και στα 100 Gb/s μέχρι τα 1000 m και BER χαμηλότερο από 10-7 στα 1625 m. Σε αυτήν την απόσταση η ποιότητα των διαγραμμάτων οφθαλμού υποβαθμιζόταν σημαντικά λόγω του φαινομένου της διασποράς.

Ο πομπός μεταβλητού μήκους κύματος 100 Gb/s αποτελούταν από ένα λέιζερ εξωτερικής κοιλότητας, τον οπτικό διαμορφωτή και τα ηλεκτρονικά οδήγησης. Το λέιζερ εξωτερικής κοιλότητας αποτελούνταν από ένα στοιχείο κέρδους συζευγμένο σε ένα ολοκληρωμένο φωτονικό κύκλωμα Bragg grating το οποίο λειτουργεί ως ημι-περατός καθρέπτης στο ένα άκρο της κοιλότητας. Η δομή Bragg grating σχεδιάστηκε και μελετήθηκε η λειτουργία της με κατάλληλο λογισμικό ώστε να επιτευχθεί συντονισμός στην περιοχή 1550 - 1570. Μελετήθηκαν και κατασκευάστηκαν περιθλαστικά φράγματα 3ης και 5ης τάξης, με αριθμό περιόδων 100, 200, 400, 600, 800, 1000, με περίοδο Λ 1.392, 1.406, 1.420, 2.32, 2.338, 2.343, 2.349, και 2.366. Επίσης υπήρχαν παραλλαγές στο μέγεθος αυλάκωσης από 1.8 έως 6.3 um με βήμα 0.5 um. Μεγαλύτερο πλάτος συντονισμού επιτυγχάνανε τα φράγματα με αριθμό περιόδων >800 και μέγεθος αυλάκωσης >5.3 um, οποίος κυμαινόταν από 2 έως 3 dBm. Τα περιθλαστικά φράγματα Bragg, που είχαν κατασκευαστεί σε μεμονωμένα τσιπ, με την καλύτερη απόδοση επιλέχθηκαν για να ολοκληρωθούν υβριδικά με ένα στοιχείο κέρδους για την δημιουργία ενός λέιζερ εξωτερικής κοιλότητας. Το μήκος κύματος εκπομπής του λέιζερ μπορούσε να μεταβληθεί σε ένα εύρος μεγαλύτερο των 17 nm με θερμο-οπτικό τρόπο, δηλαδή ζεσταίνοντας το φράγμα με ηλεκτρόδιο και μεταβάλλοντας το μήκος κύματος συντονισμού. Η ισχύς που χρειαζόταν για την μεταβολή στο εύρος αυτό ήταν 800 mW. Το εύρος της φασματικής γραμμής μετρήθηκε με όμοδυνη και ετερόδυνη μέθοδο και βρέθηκε 1.5 MHz, η οποία μπορεί να βελτιωθεί μειώνοντας την φασματική γραμμή του περιθλαστικού φράγματος. Το λέιζερ χρησιμοποιήθηκε σε πείραμα μετάδοσης 40 Gb/s και συγκρίθηκε με ένα εμπορικό DFB λέιζερ στο ίδιο μήκος κύματος χωρίς να παρατηρείται μεγάλη διαφορά όσων αφορά τα διαγράμματα οφθαλμού και τις τιμές BER.

Το Bragg grating που είχε επιλεχθεί να ολοκληρωθεί μονολιθικά με τον οπτικό διαμορφωτή (στο ηλεκτρο-οπτικό πολυμερές) δεν επέδειξε την απαιτούμενη απόδοση, κι έτσι χρησιμοποιήθηκε ένα λέιζερ εξωτερικής κοιλότητας βασισμένο σε Bragg grating πάλι, αλλά ολοκληρωμένο σε παθητικό πολυμερές υλικό. Η μεταβολή στο μήκος κύματος που μπορούσε να επιτευχθεί ήταν 22 nm ενώ η οπτική ισχύς στην έξοδο του τσιπ με το στοιχείο κέρδους στα 120 mA ήταν 3 dB. Το λέιζερ στο παθητικό πολυμερές ολοκληρώθηκε στην συνέχεια υβριδικά με έναν ηλεκτρο-οπτικό διαμορφωτή κατασκευασμένο στο ηλεκτρο-οπτικό πολυμερές, όπως επίσης και με τα ηλεκτρονικά κυκλώματα οδήγησης και έγινε συναρμογή του πομπού μεταβλητού μήκους κύματος. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα οδήγησης κατανάλωναν 3.8 W για την λειτουργία της ηλεκτρονικής πολυπλεξίας και ενίσχυσης. Ο πομπός χαρακτηρίστηκε ως προς την στατική συνάρτηση μεταφοράς του διαμορφωτή, την δυνατότητα μεταβολής του μήκους κύματος και αποκτήθηκαν χαρακτηριστικά φάσματα διαμορφωμένου σήματος στα 100 Gb/s χρησιμοποιώντας την ίδια πειραματική διάταξη ηλεκτρονικής πολυπλεξίας για την γέννηση 50 Gb/s ΟΟΚ σημάτων. Χαρακτηρίστηκε επίσης σε πειράματα μετάδοσης μέχρι 1625 m όπου επιτεύχθηκε αλάνθαστη λειτουργία μέχρι τα 1000 m και τιμή ρυθμού μετάδοσης λαθών (BER) 10-7 στα 1625 m. Ο πομπός χρησιμοποιήθηκε επίσης σε μια πειραματική διάταξη που είχε σκοπό να προσομοιώσει ένα δίκτυο μεταγωγής οπτικού κυκλώματος ενός δικτύου υπολογιστικού κέντρου, και επιδείχθηκε σε ρυθμό λειτουργίας 100 Gb/s ο τρόπος με τον οποίο η δυνατότητα μεταβολής του μήκους κύματος μπορεί να επιλύσει προβλήματα σύγκρουσης και να βελτιώσει την ευελιξία και την απόδοση του δικτύου.