Die Ära der 1,6T/3,2T-Architekturen beginnt: Coherent Lite-Technologie für Datacom- und PIC-Entwicklungen

PIC-Technologie beschleunigt die Entwicklung von Coherent Lite-Systemen im 1,6T/3,2T-Zeitalter

In der optischen Kommunikation werden digitale kohärente Kommunikationssysteme (im Folgenden: Digital Coherent) aufgrund ihrer geringen Signalverluste traditionell im Telekommunikationsbereich für Langstreckenübertragungen eingesetzt. Im Gegensatz dazu werden im Bereich der Datenkommunikation, der sich auf optische Kurzstreckenkommunikation konzentriert, hauptsächlich IMDD-Kommunikationssysteme (im Folgenden: IMDD-Systeme) verwendet, da diese relativ kostengünstig implementiert werden können. Mit dem stetigen Wachstum und der steigenden Geschwindigkeit von Rechenzentren stellt der Signalverlust jedoch ein zunehmendes Problem dar. Um dieser Herausforderung zu begegnen, rücken sogenannte Coherent-Lite-Systeme, die digitale kohärente Systeme für Datenkommunikationsanwendungen nutzen, immer stärker in den Fokus.

In diesem Artikel stellen wir Ihnen zunächst die Coherent-Systeme vor. Anschließend erläutern wir, warum Coherent Lite-Systeme für Datenkommunikationsanwendungen benötigt werden, und stellen die Technologie der photonischen integrierten Schaltungen (PICs) vor, die als Schlüsselkomponenten diese Systeme ermöglichen.

Was ist digitale kohärente Signalmodulation und warum treten im 1,6T-Zeitalter Einschränkungen auf?

In der optischen Kommunikation lassen sich Signalmodulationsverfahren grob in zwei Typen unterteilen: IMDD-Systeme und digitale kohärente Systeme. IMDD-Systeme nutzen hauptsächlich das Signalverarbeitungsverfahren PAM4 (4-stufige Pulsamplitudenmodulation). Dieses Verfahren stellt Daten dar, indem die Intensität von Lichtsignalen in vier Stufen unterteilt wird. Aufgrund seiner einfachen Struktur ist IMDD vergleichsweise kostengünstig realisierbar.

Da Hyperscaler wie Google und AWS ihre Rechenzentrumsserver kontinuierlich ausbauen, haben sich die Verbindungsdistanzen zwischen den Racks von wenigen Metern auf etwa 2 km erhöht. Infolgedessen werden Distanzen von etwa 2 bis 10 km, die früher als Rechenzentrumsverbindungen (DCI) galten, heute zunehmend als interne Rechenzentrumskommunikation betrachtet. Unter diesen Distanzbedingungen und da Hochgeschwindigkeitssignale anfälliger für Signalverschlechterungen sind, reichen herkömmliche IMDD-Systeme für Übertragungsgeschwindigkeiten von 1,6 Tbit/s und mehr, insbesondere über Distanzen jenseits der LR-Strecke, nicht mehr aus.

Im Gegensatz dazu nutzen digitale kohärente Systeme eine fortschrittliche Modulationstechnologie namens 16QAM (16-stufige Quadraturamplitudenmodulation). Dieses Verfahren moduliert Licht mithilfe seiner Phase, Amplitude und Polarisation und ermöglicht so die Übertragung deutlich mehr Informationen in einem einzigen Signal als bei IMDD-Systemen. Dadurch erzielen digitale kohärente Systeme geringere Signalverluste über große Entfernungen. Bei digitalen kohärenten Systemen ist die Leistungsfähigkeit der Modulatoren, die eine externe Lichtquelle präzise modulieren, sowie der Fotodetektoren, die das Signal empfangen, besonders wichtig.

Bei noch höheren Geschwindigkeiten, wie beispielsweise 3,2 Tbit/s, ist der Signalverlust für IMDD-Systeme bei großen Entfernungen nicht mehr zu bewältigen. Daher ist zu erwarten, dass digitale kohärente Systeme auch für Datacom LR (DCI)-Anwendungen eingesetzt werden. Digitale kohärente Systeme im Datacom-Bereich werden allgemein als Coherent Lite-Systeme bezeichnet.

Um den Unterschied zwischen diesen beiden Methoden zu verdeutlichen, lassen sich IMDD-Systeme, die Informationen ausschließlich über die Lichtintensität übertragen, mit dem Morsecode vergleichen. Digitale kohärente Systeme hingegen, die neben der Intensität auch Phase und Polarisation nutzen, ähneln eher der Musik und vermitteln durch Melodie, Rhythmus und Lautstärke ein umfassenderes Informationsspektrum.

Die folgende Abbildung fasst die Anwendungsbereiche von IMDD-Systemen, Coherent Lite-Systemen und Digital Coherent-Systemen hinsichtlich Übertragungsgeschwindigkeit und -distanz zusammen. Mit steigender Übertragungsgeschwindigkeit und zunehmender Übertragungsdistanz ändert sich das bevorzugte Kommunikationssystem entsprechend.

Die 1,6T LR-Spezifikation wird vorläufig auch als „1,6T CL“ bezeichnet, da sie neben einer Reichweite von 2 km (LR) auch größere Entfernungen abdeckt. Die formale Standardisierung wird für 2027 erwartet, und diese Technologie gilt weithin als zukunftsweisend in der Kommunikationsbranche.

Was ist diese PIC-Technologie, die die Ära der 1,6T/3,2T-Prozessoren beschleunigt?

Dexerials entwickelt PICs für die oben beschriebenen digitalen Kohärenzsysteme und Coherent Lite-Kommunikationssysteme. In diesem Abschnitt erläutern wir die aktuell gefragten PIC-Technologien und stellen die Synergien mit Hochgeschwindigkeits-InP-Photodioden vor, die zu den Kernkompetenzen von Dexerials zählen.

Die Technologie der photonischen integrierten Schaltungen (PICs) ist ein neuer Ansatz, der mehrere optische Funktionskomponenten mithilfe von Siliziumprozessen auf einem einzigen Wafer integriert. Bisher erforderten optische Transceiver die präzise Montage und Ausrichtung mehrerer optischer Komponenten wie Laser, Linsen, Modulatoren, Filter und Fotodetektoren. Diese Montageprozesse verlangten eine Ausrichtungsgenauigkeit im Submikrometerbereich und stießen hinsichtlich Ausbeute, Zuverlässigkeit und Fertigungsdurchsatz an ihre Grenzen. PICs begegnen diesen Herausforderungen, indem sie die wichtigsten optischen Funktionen eines optischen Transceivers direkt auf einem Siliziumwafer realisieren. Dadurch können die Schlüsselfunktionen eines optischen Transceivers gleichzeitig mithilfe von Halbleiterfertigungsprozessen integriert werden.

Darüber hinaus ermöglicht die Auslagerung der Produktion an Halbleiterfertigungsunternehmen mit umfassender Expertise in Siliziumprozessen, wie beispielsweise TSMC, eine Geschäftsausweitung ohne umfangreiche Investitionen in Produktionsanlagen. Aufgrund ihrer höheren Leistung, verbesserten Zuverlässigkeit, geringeren Kosten und der Möglichkeit zur Massenproduktion werden PICs voraussichtlich die herkömmliche diskrete Bestückung ablösen.

Fünf Schlüsselfunktionen von PICs

Bei in Coherent Lite-Systemen verwendeten PICs ist die Kombination dieser Funktionen ein entscheidender Faktor für die Festlegung der Implementierungsarchitektur. PICs für digitale Coherent-Systeme umfassen im Wesentlichen die folgenden fünf Schlüsselfunktionen.

Wichtige Technologiebereiche, auf die sich Dexerials für eine kohärente PIC-Entwicklung konzentriert

In den letzten Jahren wurde die Einführung der PIC-Technologie in Datacom-optischen Transceivern rasch durch Kostensenkungen vorangetrieben. Mit Blick auf die Zukunft wird erwartet, dass PICs für Coherent-Systeme der nächsten Generation optische Wellenleiter, Modulatoren und Photodetektoren in einer einzigen Architektur integrieren. Auf dieser Grundlage entwickelt Dexerials PIC-Produkte für integrierte Sender-Empfänger-(TRx)-Anwendungen.

Mit unserer Expertise in der Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Indiumphosfid-(InP)-Photodioden erforschen wir auch die funktionale Erweiterung, indem wir heterogen Next-Generation-Wellenleiter-Photodioden, die mit 260 GBd kompatibel sind, auf PICs integrieren. Nachfolgend eine konzeptionelle Illustration eines TRx-integrierten PIC, der für kohärente Systeme entwickelt wurde.

Als Reaktion auf Veränderungen bei Kommunikationssystemen und Implementierungsanforderungen bietet Dexerials PIC-bezogene Produkte an, die für verschiedene Anwendungen und Übertragungsdistanzen optimiert sind.

Als Antwort auf den wachsenden Markt für digitale Kohärenz- und Kohärenz-Lite-Systeme kombiniert Dexerials seine langjährigen Designtechnologien für Verbindungshalbleiter, einschließlich InP, mit Siliziumphotonik-Technologien, um die Entwicklung von PICs voranzutreiben.

Wir führen außerdem Machbarkeitsstudien zu PIC-Konfigurationen und -Anwendungen für Coherent-Systeme durch, die auf individuellen technischen Anforderungen basieren. Bei Interesse kontaktieren Sie uns bitte.