Silicon photonics for routing and transceiver systems in WDM chip-to-chip optical interconnects

Abstract

The last decade was dominated by the exponential growth of data, which are processed in Datacenters (DCs) and put DCs under enormous interconnection and computational strain. Optical interconnects enabled by Silicon (Si)-photonics have already penetrated into all levels of DC hierarchy to increase the bandwidth (BW) and latency limitations, targeting even to enable powerful optically-interconnected multi-socket boards for improved computational density and low power consumption (PC). This thesis contributed with the development of high-speed (≥40 Gb/s) wavelength division multiplexing (WDM) Si-photonic transceiver (TxRx) and passive routing devices for O-band and their incorporation in WDM Chip-to-Chip (C2C) Arrayed Waveguide Grating Router (AWGR)-based optical MSB architectures for high-performance computers. A cyclic-frequency 8×8 Si-photonic AWGR was developed for O-band featuring a coarse-WDM (CWDM) channel spacing of 10 nm. Its characterization revealed proper cyclic operation with channel losses between 2.5-6.05 dB (non-uniformity=3.55 dB) and a channel crosstalk (XT) of 11 dB. The AWGR was deployed in 25 Gb/s data routing experiments. A novel XT-aware transmission scheme with transmissions at detuned wavelengths was proposed to enable fully-loaded moderate-XT AWGR setups by addressing the in-band XT limitations and it was experimentally validated with the 8×8 Si-AWGR. A 4- and an 8-channel version of O-band high-speed WDM ring-modulator (RM)-based TxRxs were developed in Si-photonics and were successfully tested. The TxRxs relied on RMs for energy-, -size and bandwidth-related advantages and were the first with 160 Gb/s and 400 Gb/s Tx capabilities among all WDM Si- Txs, relying on high-speed line rate rather than on increased number of lanes or advanced modulation formats. A high-speed AWGR-based C2C optical MSB interconnection was proposed for the first time in O-band significantly exceeding the data rate from all previously reported counterparts in C-band. The interconnect was experimentally validated with recently-developed high-speed and energy-efficient TxRx and AWGR circuitry: i.e. an Si-RM as Tx, an Indium Phosphide photodiode co-packaged with a trans-impedance amplifier as Rx and the 8×8 Si-AWGR. The evaluation included 8 different data-routing scenarios with 8×25 Gb/s and 8×40 Gb/s signals representing data routing between processors. An analysis of the proposed architecture versus the dominant Intel’s QuickPath Interconnect (QPI) revealed significant energy savings (ES) of up to 69% in the Tx-Rx link energy efficiency (EE) in conjunction with improved system’s scalability and total MSB BW capacity. Finally, a “broadcast-friendly” (BF) version of the C2C AWGR-based optical MSB interconnection was proposed to efficiently handle the broadcast traffic in MSB, i.e. cache coherency updates. The BF architecture relied on the deployment of a universal Mach-Zehnder modulator (MZM) and its driver (DR) in the Tx layout so as to efficiently handle broadcasting and reducing, at the same time, the energy consumption (EC) associated with the simultaneous operation of all RMs. The scheme was experimentally validated by utilizing an integrated O-band Si-MZM as Tx and the 8×8 Si-AWGR for routing demonstrating simultaneous WDM transmission of 2×25 Gb/s signals. An analysis of the BF architecture link EE revealed additional improvements of 7% versus the initial architecture, translating to 76% ES compared to the EE of QPI.

Η τελευταία δεκαετία καθορίστηκε από την εκθετική αύξηση των δεδομένων τα οποία επεξεργάζονται σε Κέντρα Δεδομένων (ΚΔ) και ασκούν τεράστια πίεση, υπολογιστικά και επικοινωνιακά. Οι οπτικές διασυνδέσεις πυριτίου έχουν εισχωρήσει σε όλα τα επίπεδα διασύνδεσης των ΚΔ με στόχο την αύξηση του εύρους ζώνης και τη μείωση της καθυστέρησης, στοχεύοντας ακόμα και σε εφαρμογές οπτικά-διασυνδεδεμένων πλακετών πολύ-επεξεργαστικών συστημάτων (MSBs) αυξημένης υπολογιστικής ισχύος και χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Η παρούσα διατριβή συνείσφερε με την ανάπτυξη οπτικών πομποδεκτών υπερ-υψηλών ταχυτήτων (≥40 Gb/s) πολυπλεξίας μήκους κύματος (WDM) και παθητικών δρομολογητών βασισμένων σε φράγματα συστοιχίας κυματοδηγών (AWGR) για λειτουργία στην O-μπάντα και την ενσωμάτωσή τους σε αρχιτεκτονικές MSBs πλινθίου-σε-πλινθίο (C2C) με σκοπό την αντιμετώπιση των περιορισμών των ηλεκτρικών διασυνδέσεων σε υπολογιστικά συστήματα υψηλής απόδοσης. Αναπτύχθηκε ένας 8×8 παθητικός δρομολογητής πυριτίου AWGR για λειτουργία στην Ο-μπάντα, ο οποίος σχεδιάστηκε με αραιή (CWDM) απόσταση καναλιών 10 nm. Ο χαρακτηρισμός επέδειξε σωστή λειτουργία κυκλικής συχνότητας με απώλειες καναλιών μεταξύ 2.5-6.05 dB (μη ομοιομορφία=3.55 dB) και συνακρόαση (XT) 11 dB. Ο δρομολογητής χρησιμοποιήθηκε σε πειράματα δρομολόγησης δεδομένων 25 Gb/s. Προτάθηκε μια νέα τεχνική μετάδοσης σημάτων σε αποσυντονισμένα μήκη κύματος για την αντιμετώπιση του περιορισμού λόγω ενδοζωνικής παρεμβολής σε πλήρως-διασυνδεδεμένα συστήματα AWGR με μη-βέλτιστη συνακρόαση και επικυρώθηκε πειραματικά χρησιμοποιώντας τον 8×8 AWGR. Αναπτύχθηκαν δύο WDM οπτικοί πομποδέκτες πυριτίου 4- και 8-καναλιών αντίστοιχα, για λειτουργία στην Ο-μπάντα. Οι πομποδέκτες βασίστηκαν σε διαμορφωτές δακτυλίου (RM) για χαμηλή κατανάλωσης ενέργειας, μικρό μέγεθος και υψηλό εύρος ζώνης και ήταν οι πρώτοι παγκοσμίως με δυνατότητες πομπού 160 Gb/s και 400 Gb/s μεταξύ των WDM πομπών πυριτίου, βασιζόμενοι σε υψίρυθμα κανάλια και σε όχι αυξημένο αριθμό καναλιών είτε διαμόρφωσης ανώτερης τάξης. Σε επίπεδο αρχιτεκτονικής, προτάθηκε μια C2C οπτική διασύνδεση AWGR για MSBs στην Ο-μπάντα υπερβαίνοντας σημαντικά τον ρυθμό δεδομένων σε σχέση με όλες τις AWGR-διασυνδέσεις για MSBs οι οποίες και έχουν επιδειχθεί στη C-μπάντα. Η διασύνδεση επικυρώθηκε πειραματικά με προσφάτως-ανεπτυγμένα υψίρυθμα και ενεργειακώς- αποδοτικά φωτονικά κυκλώματα στην Ο-μπάντα: έναν διαμορφωτή δακτυλίου πυριτίου ως πομπό, μία φωτοδίοδο τεχνολογίας φωσφιδίου του ινδίου με ενισχυτή διαντίστασης (ΤΙΑ) ως δέκτη και τον 8×8 AWGR. Η αξιολόγηση περιελάμβανε 8 σενάρια δρομολόγησης με σήματα 8×25 Gb/s και 8×40 Gb/s που αντιπροσώπευαν δρομολόγηση δεδομένων μεταξύ επεξεργαστών. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική δύναται να προσφέρει έως και 69% καλύτερη ενεργειακή απόδοση στην οπτική ζεύξη έναντι της κυρίαρχης Intel QPI, το οποίο έρχεται σε συνδυασμό με υψηλή κλιμάκωσης και συνολικό εύρος ζώνης. Τέλος, προτάθηκε μια “φιλική ως-προς-την-πολλαπλή-εκπομπή” εκδοχή της C2C AWGR-οπτικής διασύνδεσης με σκοπό να διαχειρίζεται ενεργειακώς-αποδοτικά τις πολλαπλές εκπομπές στις MSBs, πχ. μηνύματα συνοχής cache. Η βελτιωμένη αρχιτεκτονική βασίστηκε στην ενσωμάτωση ενός επιπλέον διαμορφωτή Mach-Zehnder (ΜΖΜ) στους πομπούς στοχεύοντας στη μείωση της κατανάλωση ενέργειας από τους ΔΔ κατά τις πολλαπλές εκπομπές. Η αρχιτεκτονική επικυρώθηκε πειραματικά με τη χρήση ενός διαμορφωτή πυριτίου MZM ως πομπού και του 8×8 AWGR σε ταυτόχρονη WDM μετάδοση δύο σημάτων 2×25 Gb/s, υποσχόμενη βελτιώσεις έως κατά 7% στην ενεργειακή απόδοσης της ζεύξης σε σχέση με την αρχική αρχιτεκτονική πομπών διαμορφωτών δακτυλίου οδηγώντας σε 76% βελτίωση σε σύγκριση με το Intel QPI.