Optical Interconnects

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1 Optical Interconnects System-interne Datenübertragung mit Licht Folien-Set für Internet-Download und Medien Stand April 2005 ZRL I/O Link Technology Group ZRL Photonics Group

2 Übersicht Hintergrund Zurich Research Laboratory Datentransfer innerhalb von zukünftigen Rechensystemen Datenübertragung mit Licht Bauteile einer optischen Karte-Backplane-Karte Verbindung CMOS-Schaltungen Elemente einer Datenverbindung Beispiele und Resultate Wellenleiter-Technologie Prinzip der Herstellung Beispiele und Resultate System-Demonstratoren 2003: Linsen-Kopplung, Wellenleiter auf der Karte 2004: Stoss-Kopplung, Wellenleiter in der Karte Zusammenfassung Seite 2

3 Datentransfer innerhalb von Rechensystemen Anwendungsbereich High-End: Server, Supercomputer, Telecom Switch-Router Rack-basierte Systeme: Karte-zu-Karte über Backplane/Midplane Erwartete Gesamt-Datenrate: mehrere Terabit/Sekunde Pro physikalische Leitung: 'nur' Gigabit/Sekunde Viele 100 bis einige 1000 Leitungen (hohe Dichte) bei >10 Gb/s Wichtige Faktoren: Kosten, Kosten, Kosten, Leistung, Zuverlässigkeit, Technologie-Reife und -Verfügbarkeit, Kompatibilität, etc. Grenzen der elektronischen Verbindungstechnologie Anhaltende Miniaturisierung Mehr Rechenleistung pro Chip Mehr Rechenleistung grösserer Datenfluss zu und vom Chip Grösserer Datenfluss mehr und schnellere Leitungen nötig Mehr Leitungen (bei konstantem Platz) dichtere Leitungen Trend zu verteiltem Rechnen: Systeme mit vielen Racks längere Datenleitungen Miller, Int. J. Optoelectronics 11, (1997): Datenrate el. ~ Fläche/Länge 2 Typische Probleme: Frequenz-abhängige Dämpfung, Übersprechen, Impedanzanpassung, etc. schnell & dicht ist ein Problem schnell & lang ist ein Problem Seite 3

4 Datentransfer mit Licht Physikalische Vorteile des Lichts Elektronik & Optik: Signale breiten sich als elektromagnetische Wellen aus, aber beim Licht ist die Trägerfrequenz ca. 100'000 mal höher Übertragungs-Eigenschaften weitgehend unabhängig von Modulations-Frequenz (10/20/40 Gb/s) Mehr Bandbreite*Länge, höhere Dichte, neue Möglichkeiten (z.b. schnelle, passive Teiler) Wann & wo: Historische Entwicklung von lang zu kurz in der Link-Hierarchie Internet, Wide Local Area Network Rack-to- Card-to-Card On-Card On- MCM On-Chip Area Network Rack Distanz multi-km m 30+ m 1 m m mm mm Anzahl ~100 ~ ~1000 ~10'000 ~100'000 Leitungen Transfer Seit den 80ern und Seit den späten Jetzt Vermutlich nach Später, wenn mit Licht frühen 90ern 90ern Unser Fokus 2015 überhaupt Seite 4

5 Bauteile einer optischen Karte-Karte Verbindung Elektronik (IBM ZRL) Schnelle, kompakte Schaltungen mit geringem Leistungsverbrauch Opto-Elektronik (Extern) Separat vom Prozessor wegen der grossen Hitze (Lebenszeit) VCSEL/PD 2D-Arrays wegen Kosten Etablierte Wellenlänge: 850 nm Optischer Kanal (IBM ZRL) Faser, Wellenleiter, oder Freiraum-Optik? Multimode-Optik wegen Kosten (ca. 50 µm Kern-Ø für Kompatibilität zu Faser-Standards) Vergrabene Wellenleiter Nur skalierbare Herstellungs-Technologien Kopplung (ZRL & Extern) Passive Justierung und Positionierung 90 optisch oder elektronisch? Seite 5

6 Übersicht Hintergrund Zurich Research Laboratory Datentransfer innerhalb von zukünftigen Rechensystemen Datenübertragung mit Licht Bauteile einer optischen Karte-Backplane-Karte Verbindung CMOS-Schaltungen Elemente einer Datenverbindung Beispiele und Resultate Wellenleiter-Technologie Prinzip der Herstellung Beispiele und Resultate System-Demonstratoren 2003: Linsen-Kopplung, Wellenleiter auf der Karte 2004: Stoss-Kopplung, Wellenleiter in der Karte Zusammenfassung Seite 6

7 CMOS: Elemente einer Datenverbindung CMOS-Designs für kurze, elektronische Strecken Minimierung der Silizium-Fläche und des Leistungsverbrauchs, Maximierung der Geschwindigkeit Optische Erweiterung zur Maximierung der Verbindungslänge Link TX/RX pair Seite 7

8 CMOS: Übersicht RF PLL for receiver: Low jitter PLL: Preamplifier & line 12.5 Gbps: 80 ps Frequency peaking feature for analog equalization of channel loss 12.5 Gbps 50 Ohm line driver: 20 Gbps PAM4: GHz LC resonator PLL: Low power: 24 1V VDD Oscillator operates at 4x f_out 1.6 ps RMS jitter (oscilloscope limited) Three frequency ranges 18% tuning per range VDD = 1V; 67 mw 2.5 GHz PLL with 360 digital phase adjustment and ± 2 ps DNL: delay [ps] Simulation (white: ideal, red: circuit sim) Useful for clock spreading under digital control Experimental 2-bit-per-cycle 50 Ohm line driver 10 Gbps half rate receiver: data even: 4-7 GHz RF ring oscillator PLL: No spurious 105 1MHz Measurement data odd: 200ps delay [ps] clock out: programmed value (0 to 135) CMOS digital circuit topology Low 7 GHz Seite 8

9 CMOS: Treiber- und Empfänger für optische Links Standard IBM CU-08 10M CMOS Prozess (80 nm Gate-Länge) Rekord-tiefer Leistungsverbrauch: 2.5 mw/gbps 100 mw für 4 10 Gbps (Tx & Rx, ohne Buffer) 10 mal geringer als die besten aktuellen Resultate in gängiger SiGe-Technologie Demonstriert bei 10 Gbps über 5 m Multimode-Faser Photodioden Array 100mV/div 250 µm Ein Empfänger 20ps/div Seite 9

10 Übersicht Hintergrund Zurich Research Laboratory Datentransfer innerhalb von zukünftigen Rechensystemen Datenübertragung mit Licht Bauteile einer optischen Karte-Backplane-Karte Verbindung CMOS-Schaltungen Elemente einer Datenverbindung Beispiele und Resultate Wellenleiter-Technologie Prinzip der Herstellung Beispiele und Resultate System-Demonstratoren 2003: Linsen-Kopplung, Wellenleiter auf der Karte 2004: Stoss-Kopplung, Wellenleiter in der Karte Zusammenfassung Seite 10

11 Wellenleiter: Motivation Quelle: Varioprint AG, Heiden, Schweiz Elektronik: Kabel Gedruckte Schaltung Optik: Faser Integrierte Wellenleiter Seite 11

12 Wellenleiter: Prinzip der Herstellung FR4-Substrat Unteres Cladding Gewobene Glasfaser-Bündel Epoxy- Füller Cu-Lage Core Schicht Hauptaufgaben Deposition: - Sprayen - Rakeln FR4 Oberes Cladding Strukturierung: - Lithographie - Serielles Schreiben Seite 12

13 Wellenleiter: Aufbringen der Schichten Rakel-Instrument Prinzip Flüssiges Polymer Spray-Beschichter Gerät für runde Boards bis 8" Rakel Board up to 30 cm width Spray Strahl Beweglicher Spray-Kopf up to 40 cm length Rotierendes Board Seite 13

14 Wellenleiter: Strukturierung Lithographie UV-Quelle: 8 x 8 nutzbare Fläche mit Strahl-Divergenz < 2 Laser-Schreiben Instrument zur Herstellung von Wellenleiter Boards bis 20 x 20 (X-Y-Z Positionier-System mit Schreib-, Mess- und Spray-Köpfen) Laserdiode Instrument zur Schichtdickenmessung 2 Spray Köpfe 9 20 Laserstrahl µm Abstand zwischen Maske und Polymer über gesamte Fläche X-Y Positionier-Genauigkeit: 1 µm Seite 14

15 Wellenleiter: Lineare Dichte & Fertigungstoleranzen Reduktion des Wellenleiter-Abstandes und der Grösse ( Faser-Standard ) Steigerung der Kanaldichte 4 x 2.5 x 1 x 16 Kanäle / mm 160 Kanäle / cm 1600 Kanäle /10 cm Verbesserung der Fertigungstoleranz Seite 15

16 Wellenleiter: Mehrlagige Strukturen 2-dimensionales Wellenleiter-Array Seite 16

17 Wellenleiter: Lamination in eine Leiterplatte Beleuchtung von hinten 12 parallele Kanäle FR4 board Keine Deformation Prepreg Cladding Cladding FR4 sheet Prepreg FR4 board Seite 17

18 Wellenleiter: Strukturen und Charakterisierung Einige Kennzahlen Geraden: Dämpfung von bis 0.04 db/cm für alle Core-Grössen Kurven: 0.1 db pro 180 -Kurve mit 20 mm Radius Kreuzungen: 0.02 db pro Kreuzung Teiler: 0.1 db pro Teiler Dispersion: Offene 12.5 Gb/s-Augen mit einer 1m-Spirale (50 µm Core) Potential bis zu 40 Gb/s gemessen mit ultra-kurzen Pulsen (YKT) 50 µm Core, 250 µm Abstand Test-Struktur mit verschiedenen Radien Seite Gb/s durch eine 1m-Spirale Teiler und Kreuzungen (für Signal-Routing)

19 Übersicht Hintergrund Zurich Research Laboratory Datentransfer innerhalb von zukünftigen Rechensystemen Datenübertragung mit Licht Bauteile einer optischen Karte-Backplane-Karte Verbindung CMOS-Schaltungen Elemente einer Datenverbindung Beispiele und Resultate Wellenleiter-Technologie Prinzip der Herstellung Beispiele und Resultate System-Demonstratoren 2003: Linsen-Kopplung, Wellenleiter auf der Karte 2004: Stoss-Kopplung, Wellenleiter in der Karte Zusammenfassung Seite 19

20 2003-Demo: Übersicht Beschreibung des Test-Aufbaus elektrisch ein elektrisch aus Erster System-Prototyp für On-Board und Off-Board Tests Wellenleiter auf Oberfläche der Leiterplatte Opto-elektronische Module mit Linsen-Kopplung (90 -Signal-Umlenkung im optischen Bereich) E/O Umwandlung Optischer Kanal (Wellenleiter Array) O/E Umwandlung Wellenleiter der Off-Board Test-Strecke Test sample #3 Acrylat-basierte Wellenleiter mit 250um Abstand Opto-elektronisches Modul FR4-Leiterplatte Wellenleiter Arrays Seite 20

21 2003-Demo: Link-Messungen Sender Test 12.5 Gb/s Limitiert durch Messgeräte On-Card Link 10 Gb/s Limitiert durch Empfänger-Teil Card-Card Link 5 Gb/s durch 1m-Spirale Limitiert durch Verluste bei Dimensions-Fehler Seite 21

22 2003-Demo: Passive Positionierung Beschreibung der Video-Sequenz Aufbau läuft bei 10 Gb/s mit OE-Modul #4 (offenes Augendiagramm) OE-Module #4 wird entfernt (kein Augendiagramm mehr) OE-Modul #3 wird eingesetzt Sobald Modul #3 elektrischen Kontakt hat, ist wieder ein offenes Augendiagramm sichtbar (keine weitere Justierung nötig) Zoom-Aufnahmen: Bildschirm des Oszilloskops mit 2 offenen 10 Gb/s Augen; Detail der Zeit-Achse (20 ps) Geschwindigkeit des Bit Pattern Generators (10 Gb/s) Aufnahme des Aufbaus mit Infrarot-Kamera (Streulicht lässt Wellenleiter glimmen) Seite 22

23 2004-Demo: Übersicht Änderungen gegenüber 2003-Demo Neu mit optischer Backplane (grössere Boards) und optischen Steckern Wellenleiter in der Leiterplatte vergraben Opto-elektronische Module mit Stoss-Kopplung (90 -Signal-Umlenkung im elektronischen Bereich) Integration von Konzepten zur passiven Positionierung von Bauteilen auf der Leiterplatte Seite 23

24 2004-Demo: Module mit Stoss-Kopplung Merkmale Batch-Herstellung der einzelnen Bauteile (Wafer-Prozesse) Selbst-Justierung der Laser und Detektoren bei der Flip-Chip-Befestigung Wellenleiter durch den Silizium-Träger Positionier-Strukturen eingebaut in den Träger Elektrische Verbindung mit "Flex Circuit" Seite 24

25 2004-Demo: Passive Positionierung Beschreibung des Demo-Aufbaus Linke Kamera beobachtet Kartenrand mit Wellenleitern Rechte Kamera beobachtet Silizium-Träger auf Halterung Sender-Modul wird abgesenkt, bis es in Kontakt mit Karte kommt Anschliessend vorwärts schieben bis Kontakt mit Wellenleiter Licht in Wellenleitern ohne weitere Nachjustierung (roter Kreis) Quantitative Messungen P_opt [µw] (Error bars = db) Volt 2.5 Volt Ref. 2.3 Volt 2.3 Volt Ref. 2 Volt 2.0 Volt Ref. Seite Trial #

26 2004-Demo: Link-Messungen Sender Test 12.5 Gb/s Zuleitungen OK On-Card Link 5 Gb/s Limitiert durch Empfänger und Zuleitungen Card-Card Link 5 Gb/s Limitiert durch Verluste bei Stecker-Interface Seite 26

27 Übersicht Hintergrund Zurich Research Laboratory Datentransfer innerhalb von zukünftigen Rechensystemen Datenübertragung mit Licht Bauteile einer optischen Karte-Backplane-Karte Verbindung CMOS-Schaltungen Elemente einer Datenverbindung Beispiele und Resultate Wellenleiter-Technologie Prinzip der Herstellung Beispiele und Resultate System-Demonstratoren 2003: Linsen-Kopplung, Wellenleiter auf der Karte 2004: Stoss-Kopplung, Wellenleiter in der Karte Zusammenfassung Seite 27

28 Zusammenfassung Motivation zur Verwendung von Licht und Wellenleitern Schnelle, lange Leitungen und schnelle, dünne (d.h. dichte) Leitungen leiden u.a. unter Signaldämpfung Beim Licht wird eine 100'000-mal höhere Trägerfrequenz verwendet, was viele der Probleme, unter denen elektronische Verbindungen leiden, eliminiert Historischer Trend: je länger die Leitung, desto eher braucht es Optik Analogie: Kabel gedruckte Schaltung in der Elektronik, Faser integrierte Wellenleiter in der Optik Anforderungen an eine solche Technologie Kostengünstig Niedriger Leistungsverbrauch Zuverlässigkeit und Lebensdauer Integration in existierende Standards Lösung auf System-Ebene Resultate Entwicklung einer Technologie-Plattform, bestehend aus elektronischen und optischen Komponenten Herstellung von schnellen CMOS-Schaltungen mit minimierter Leistungsaufnahme und Grösse Herstellung von Boards mit integrierten Wellenleitern, basierend auf Standard-Herstellungsverfahren Demonstration innovativer Positionier-Konzepte zur kostengünstigen Integration von Optik Demonstration der einzelnen Technologie-Komponenten in mehrerer System-Prototypen Seite 28

29 Kontakt-Information I/O-Link Technology: Dr. Martin Schmatz Photonics: Dr. Bert Jan Offrein Presse-Kontakte: Dr. Karin Vey IBM Zurich Research Laboratory Saeumerstrasse 4 CH-8803 Rueschlikon, Switzerland assembled by C. Berger April 25,