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

Abstract

The modern age is characterized by direct exchange of information created either by humans or by machines. This information is stored and circulated by data centers which must constantly upgrade their optical interfaces in order to cope with the need for greater bandwidth. 400 GbE optical interfaces have already begun to be installed in the data centers, however efforts to develop the next model to 800 or even 1600 Gb/s have already begun. The development of transceivers that can transmit serially at speeds higher than 50 Gbaud is key to achieving this goal as the increase in capacity through the increase in lines is limited by the size of the transceiver package. It is also very likely that in the future, in conjunction with electrical switches, optical switches based on optical circuit switching (OCS) will be used, to realize hybrid and later perhaps purely optical switching network architectures. The main data center architectures in use today are three-tier, fat-tree and leaf-spine, with the latter being adopted by large users (FaceBook, Microsoft) as it tries to flatten the network utilizing the arrangement of servers into small pods with a fixed and defined number of server racks, instead of larger clusters. This dissertation focuses on efforts to develop a 2x100 Gb/s transmitter, and a 100 Gb/s variable wavelength transmitter, based on a new electro-optical polymer material for the construction of of fast modulators and in the design of new photonic structures in this material to be used as building blocks in the new generation transmitters. Historically, high-speed optical transmissions have been achieved using optical time division multiplexing (OTDM) due to the lack of broadband electronic and optoelectronic components, such as electronic pulse generating circuits, amplifiers, optical modulators to build a chain of components capable of generating signals directly at 100 Gb/s. In OTDM optical signals at a lower rate are generated and then multiplexed until the desired transmission rate is achieved. This technique was used in core networks and used RZ-OOK pulses that are narrower in time to utilize the entire available optical fiber bandwidth. At the interface points of the core network with the metropolitan networks, where wavelength multiplexing (WDM) is mainly used, the broad spectrum of the RZ-OOK pulses must be converted to the most efficient in terms of spectrum use, NRZ-OOK. For this purpose, an all-optical format converter based on delay lines fabricated in integrated photonic circuit was developed. The format converter was first simulated in appropriate software and its good operation was demonstrated with OK, DPSK and more advanced 16-QAM signals. Experiments demonstrated the good operation of the RZ-DPSK to NRZ-DPSK conversion at a rate of 40 Gb/s. An alternative technique for achieving high speeds is electronic time division multiplexing. With this technique, speeds of 100 Gb/s have been achieved in the past, but no electronic driving circuits and high-speed optical modulators based on new electro-optical polymer material were available. The availability of electric drivers and high-bandwidth optical modulators allowed the development of the first integrated serial transmitter at 100 Gb/s. Further scaling of the transmitter to 2x100 Gb/s required the development of new passive photonic structures in the electro-optical polymer such as 1x2 and 1x4 MMI couplers that would act as power splitters to split the optical power of a DFB laser on the transmitter in 2 or 4 equal parts feeding equal number of modulators. The structures were designed and simulated in appropriate simulation software with targeted loss values below 1 dB and port imbalance below 0.5 dB. They were then fabricated into PICs using the electro-optic polymer material and characterized in terms of losses and imbalance in probe-stations, with the measurements confirming the targeted values at the 1x2 MMIs were achieved in a bandwidth greater than 100 nm, while some deviations were observed at 1x4 MMI structures. The 1x2 structures with the best performance were also characterized by an infrared camera where two beam profiles were clearly formed on screen. These structures were selected for integration with an array of two optical modulators to create the optical subassembly. The optical subassembly was then integrated with the electronic driver circuits and packaged into the 2x100 Gb/s transmitter. The transmitter characterization process involved static measurements of the transfer functions, confirming the good operation of the integrated MMI and also the modulated optical spectrum was recorded at 2x80 and 2x100 Gb/s. The experimental setup was based on electronic time division multiplexing to generate the electrical signals that were sent to the transmitter. It was combined with a 4x100 Gb/s receiver to create an optical interface and transmission experiments were performed at 80 and 100 Gb/s up to 1625 m by measuring the error rate. The transmitter had error free performance at 80 and 100 Gb/s up to 1000 m and BER lower than 10-7 at 1625 m. At this distance the eye diagram quality was significantly degraded due to dispersion in the SMF. The 100 Gb/s variable wavelength transmitter consisted of an external cavity laser, an optical modulator and the driving electronics. The external cavity laser comprised a gain element hybridly integrated to a Bragg grating structure on photonic integrated circuit which acts as a semi-transparent mirror at one end of the cavity. Using appropriate software, the Bragg grating structure was designed and its operation was studied in order to achieve operation in the area 1550 - 1570. 3rd and 5th order diffraction gratings were studied and fabricated, with a number of periods of 100, 200, 400, 600, 800, 1000, with period Λ 1.392, 1.406, 1.420, 2.32, 2.338, 2.343, 2.349, and 2.366. There were also variations in the corrugation size from 1.8 to 6.3 um with a step of 0.5 um. Larger tuning amplitudes were achieved with gratings with a number of periods of >800 and a corrugation size of >5.3 um, ranging from 2 to 3 dB. The Bragg gratings, were fabricated on individual chips, and the best performing designs were selected to be integrated hybridly with a gain element to create an external cavity laser. The emission wavelength of the laser could be tuned in a range greater than 17 nm by thermo-optical effect, i.e. by heating the grating structure with a heating electrode and shifting the Bragg wavelength. The power required to achieve this tuning range was 800 mW. The linewidth of the laser was measured using both homodyne and heterodyne methods and was found 1.5 MHz, which can be further improved by making the Bragg grating filter response sharper. The laser was used in a 40 Gb/s transmission experiment and was compared to a commercial DFB laser at the same wavelength with no significant difference in the obtained eye diagrams and BER values. The Bragg grating design that was selected to be monolithically integrated with the optical modulator (in the electro-optical polymer) did not show the required performance, so a different Bragg grating based external cavity laser integrated in passive polymeric material was used as a mitigation plan. The wavelength tunability that could be achieved was 22 nm while the output optical power with the gain element at 120 mA was 3 dBm. The laser on the passive polymer was then hybridly integrated with an optical modulator fabricated in the electro-optical polymer material, the electrical driving circuits, and the tunable wavelength transmitter was packaged in a gold box. The electronic driving circuits consumed 3.8 W for the operation of the electronic multiplexing and amplification at 100 Gb/s. The transmitter was characterized in terms of the static transfer function of the modulator, the wavelength tunability and modulated spectra at the transmitter's output were obtained at 100 Gb/s using the same experimental setup based on electronic time division multiplexing for generating the 50 Gb/s OOK signals. It performance was also assessed in transmission experiments up to 1625 m where an error-free operation of up to 1000 m and a bit error rate (BER) value of 10-7 at 1625 m were achieved. The transmitter was also used in an experimental setup intended to simulate an optical circuit switching (OCS) network of an intra-data center network, and demonstrated at 100 Gb/s the way in which the tunability can resolve contentions and improve the flexibility and the efficiency of the network.

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.