Das Licht in die Schranken weisen

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1 Uni-Colleg Duisburg / 12. November 2008 Das Licht in die Schranken weisen Optische Signalübertragung auf elektronischen Leiterplatten, in Computer-Chips und in der Nanoskala Daniel Erni Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE), Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Duisburg-Essen, Bismarckstrasse 81, Duisburg Der Hunger nach Daten I Internet-Verkehr -1/22- -2/22- Frage: Wie bewältigt man die immensen Datenströme an den beiden Enden der Übertragung? Cisco Systems / NY Times Bell Labs/ Lucent 1

2 Der Hunger nach Daten II Licht in die Endgeräte Lichtleiter Lichtleiter Antwort: Wir müssen die schnelle optische Datenübertragung in die Endgeräte bringen! Inhalt -3/22- -4/22-1 cm Licht in der Leiterplatte Demonstrator für eine optische Backplane 300 nm Licht im Chip Defektwellenleiter in einem photonischem Kristall Optische Backplane Optische Verbindungstechnik Wellenleitertechnologien Moden-Multiplexing (optisches MIMO-System) Chip Interconnects Enge Lichtführung Photonische Drähte Photonische Kristalle Nanophotonik Metallbasierte Optik Oberflächen-Plasmonen Zusammenfassung 2

3 Optische Verbindungstechnik I Typische Verbindungsszenarien Beispiel: «Hochleistungs-Router» (Ultraschnelle Datenvermittlung) IBM Cisco: CRS-1 Carrier Router Rack-zu-Rack: m Karte-zu-Karte: m auf der Karte: < 0.5 m -5/22- -6/22- Optische Verbindungstechnik II Warum Optik? Steckerquerschnitt IBM MT Ferrule (72 Fibern) 7 mm (A) Grenzen der elektrischen Übertragung: «Skalierung der Leitungsabmessungen hat keinen Einfluss auf die maximal übertragbare Datenrate B max» (B) Die enorm grosse optische Bandbreite (C) Das Interface der Datendurchsatz Ein Gedankenexperiment: Kanal: Pitch: 12.5 Gb/s 250 m 100 Kanäle 1.25 Tb/s/inch ~ 20 cm e.g. zwei: PCIe x MB/s/Paar 164 pins. 64 Gb/s (duplex) HD-Optyx TM : 2.6 Tb/s/inch ( Gb/s) aber! GbX TM : 275 Gb/s/inch (55 5 Gb/s) 3

4 Optische Verbindungstechnik III Backplane-System: -7/22- Link-Budget ist kritisch 12 db / 1 db Reserve Erstes Fazit: Lichtwellenleiter müssen in die Leiterplatten eingebaut werden. Ein- und Auskopplung ist fertigungstechnisch nicht trivial. Ist die Wellenleiterherstellung kompatibel zur Leiterplattenherstellung? Einkopplung z.b. über ein Spiegelprisma IBM Wellenleiterherstellung -8/22- (A) Ionenaustausch (B) Glasätzen (C) Polymertechnologie ETH FH Buchs IBM J.-M. Lehky, D. Erni et al., ECIO 05, April 6-8, Grenoble, France, schnell: 6 m in 90 s! db/cm Zu den Abmessungen: D. Erni, CTI Micro- and Nano Technologies Event 2004, Nov. 11, Neuchâtel, Switzerland, langsam: 2 10 h Resistenz gegen HF? L. Dellmann et al., EOS Topical Meeting - Optics in Computing, April 21-23, Engelberg, Switzerland, Bestentwickelter Prozess m! m Merke: Die Wellenleiterquerschnitte sind sehr gross verglichen mit der Wellenlänge des Lichtes. Wellenlänge des Lichtes: m Wellenleiterquerschnitt m 4

5 Mehrwellenausbreitung I Viele verschiedene Lichtwellentypen (Moden) Eingangsimpuls p #69 #62 #5 #2 Wellenleiter #1 p 1... p69 g1 g69 Feldverteilung ist extrem vielfältig. Die grosse Vielfalt macht die Auswahl einer einzelnen Lichtwelle schwierig. Beispiel: Polymerwellenleiter 50 m 50 m / 1 m Datenrate: < 10 Gb/s «Impulsverbreiterung» Intermodale Dispersion. : verbreiterter Ausgangsimpuls. Breite Pules machen die Datenübertragung langsam. Mehrwellenausbreitung II Idee: «Moden-Multiplexing» (1) Wie wählt man eine dieser Lichtwellen aus? -9/ /22- Lichtwellentypen y x N y N y N y 5 (2) Mit Hilfe einer Linse! N x 2 N x 1 «Hausnummern» der Lichtwellentypen N x Eine (Fourier-) Linse ist in der Lage, die «Hausnummer» auf einen Schirm abzubilden. Die Linse funktioniert auch in der umgekehrten Richtung. 5

6 Moden-Multiplexing I D. Erni, et al., EuMA Proc., vol. 3, no. 3, pp , Sept Modenselektives Übertragungssystem für 4 10 Gb/s m, nm S-Kurve (L=106.3 cm, R=2 cm) #1: -1.9dB #2: -3.3dB -11.2dB #3: -3.3dB -14.4dB Nicht abgebildet: Anregung «12 o clock» Ausgangsfazette nach F-Linse Detektor detektierte Signale Moden-Multiplexing II Erste Vorstudien -12/22- #1: #2: 12 Moden -11/22- Quellenposition Polymerfilmwellenleiter: L = 2.5 cm d = 12 m mit Fourier- Linsen Empfänger CCD (erste Experimente zusammen mit IBM Zürich) Bandbreiten-(Linien)-Dichte: VCSEL: 25 Gb/s, 1070 nm (NEC, März 2006), 4 Modengruppen 100 Gb/s 10 Tb/s/inch 6

7 On-Chip-Interconnects I elektronischer Chip Lichtleiter Warum optisch? Das Skalierungsargument Grenzdatenrate Das Interface-Argument Datendurchsatz ( ) Das Signalargument geringe Leistung, Präzision Aber: Lässt sich das Lichtsignal in den engen Raumverhältnissen eines elektronischen Chips überhaupt entsprechend «optisch verdrahten»? On-Chip-Interconnects II Zur Integrationsdichte gerader Wellenleiter = 1.3 m n = / /22- (A) Elektronischer Chip (B) Optischer Chip (konventionell) R = 200 m R = 50 m 20 m Transistoren/cm 2 (Mikroprozessor) 100 m 1250 couplers/cm 2 (R = 200 m) R = 10 m : 1 Der Kurvenradius bestimmt im Wesentlichen die Integrationsdichte 7

8 On-Chip-Interconnects III X. Cui, F. Robin, D. Erni, et al., Proc. SPIE vol. 6617, pp D-1-11, June Photonische Drähte Rippenwellenleiter Konventioneller Lichtwellenleiter. 2D-MMP: T = 6% 5 m Photonischer Draht Starke horizontale Lichtführung. 2D-MMP: T = 99% Simulationen: X. Cui Herstellung: F. Robin (ETH Zürich) 5 m Nanophotonik I Photonische Kristalle Planarer Kristall: starke, 2D periodische Modulation des dielektischen Materials. Keine Lichtzustände erlaubt innerhalb PBG Defekte lokalisierte Zustände erlaubt -15/22- Kristalldefekt -16/22- ~ 300 nm Enge Lichtführung in linienartigen Defekten (1) Ideales Kurvenmodell P. Strasser, D. Erni, et al., J. Opt. Soc. Am. A., vol. 25, no. 1, pp. 67, Jan Transmissionsmessungen (2) Realistische Kurve [db] ~ nm 8

9 -17/22- Nanophotonik II Kompakte optische Bauelemente K. Rauscher, D. Erni, W. Bächtold, OWTNM 2005, April 8-9, Grenoble, France, (1) Leistungsteiler: Computersimulation Messung (2) Filterbank: 17 m Detailansicht 13 m Computersimulation -18/22- Nanophotonik III Oberflächen-Plasmonen (1) «Feldgetriebene» Plasma-Resonanz: (2) Beispiel: «Leistungsteiler» Isolator Schwingendes elektromagnetisches Feld (Licht) Metall Schwingende Ladungsträger Isolator Silber Silber Ladungsträger haben Masse. Resonantes Schwingungssystem: Feld Elektronen. Das Lichtfeld «haftet» an der Metalloberfläche. 36 nm Isolator A. Rennings, J. Mosig, D. Erni, et al., ISSSE 2007, July 30 Aug. 2, pp , Montréal, Québec, Canada

10 Nanophotonik IV Noch kompaktere Bauelemente (1) Metallischer Schlitzwellenleiter Simulation (2) Metallischer Grabenwellenleiter L. Liu, et al., Opt. Express, 13(17), pp , Aug. 15, Metall S. I. Bozhevolnyi, et al., Nature, 440, pp , March, Metall 20 nm 100 nm T = 77.2% Messung Überblick Das Licht in die Schranken weisen (1) Optische Backplane -19/ /22- Auswahlproblem bezüglich der Wellentypen. Datendurchsatz wichtig (Informationsdichte). (2) Optische Chip-Inteconnects Photonische Drähte, photonische Kristalle. Elektronik immer noch mal dichter. (3) Nanophotonik Metallbasierte Optik (Plasmonik). Elektronik etwa 2-5 mal dichter. 10

11 -21/22- Zusammenfassung Optische Backplane Moden-Multiplexing Studie: 4 Modengruppen in Polymerwellenleiter NEC Laserpille (25 Gb/s) Datendurchsatz: 10 Tb/s/inch On-Chip-Interconnects Kurvenradien Integrationsdichte Photonische Drähte Nanophotonik Photonische Kristalle Plasmonische Wellenleiter Konzeptstudie «staggered taper» IBM Tx: 12.5 Gb/s / 50 m 50 m / ~ 30cm -22/22- Herzlichen Dank. Weitere Informationen: Vortrag unter «Veröffentlichungen» 11

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