Silicon-based photonic integrated circuits and high-capacity switching systems for datacenters interconnects

Abstract

The explosive growth of Data Center (DC) traffic is putting strenuous requirements in DC operators, that must push the performance envelope of the underlying network infrastructure towards (i) high network and resource utilization (ii) high bandwidth (iii) low latency and (iv) high energy efficiency. In this context, optical interconnects arise as a promising technological candidate for future DC and High-Performance Computing (HPC) environments, aiming to replace electronic interconnects with high-bandwidth, low-power optical solutions across the DC and HPC network hierarchy. The main research contributions of this thesis revolved around the development of an Optical Packet Switch (OPS) architecture, towards addressing the problem of high-port, high-bandwidth, low-latency switching as well as the study and deployment of Silicon Photonics (SiPho) circuits, outlining a roadmap towards next generation optical switches and transceivers. At first, in view of meeting the networking requirements in terms of port count and latency of disaggregated DC architectures, an optical switch named Hipoλaos (High Port λ-routed All Optical Switch) was proposed and demonstrated. Hipoλaos can efficiently integrate Spanke-based switching with Arrayed Waveguide Grating Router (AWGR)-based wavelength routing and optical feedforward buffering, towards providing high-port layouts with sub-μs latency. A functional 1024-port plane of the Hipoλaos switch was constructed and experimentally demonstrated, using 10 Gb/s unicast and multicast packets, revealing error-free operation for all cases. Moving however towards practical optical switch implementations, requires an integration approach, with the um-SOI platform standing out as a promising integration vehicle for the Hipoλaos architecture. To this end, the basic building block of optical feed forward buffering i.e. a Time Slot Interchanger (TSI), was proposed and experimentally validated for 10 Gb/s data packets, with the optical delay lines realized through um-SOI waveguides. Followingly, an integrated version of the Hipoλaos switch was proposed, relying on um-SOI circuitry for both buffering and wavelength routing. The prototype 9×9 switch employed um-SOI delay lines for buffering and a 3×3 Echelle Grating for routing and was experimentally evaluated using 10 Gb/s packets for both unicast and multicast modes, revealing error-free operation for all cases. Consequently, towards addressing the need of a low-cost, direct detection scheme, for interconnecting geographically distributed DCs, a 50 Gb/s SiPho O-band Ring Modulator (RM)-based optical transmitter co-packaged with a high-speed driver was proposed and presented. The transmitter achieved a record high bandwidth distance product of 2600 Gb-kms (50 Gb/s × 52 km) , featuring an Extinction Ratio (ER) of 4.15 dB and a power consumption of 40 mW. Finally, a 200 Gb/s and a 400 Gb/s SiPho optical transceiver (TxRx) were proposed and demonstrated, with the developed modules leveraging Wavelength Division Multiplexing (WDM) and the significant advantages of RM-based transmitters, in terms of footprint and energy consumption versus approaches based on Mach Zehnder Modulators (MZM). The 200 Gb/s module featured four 50 Gb/s channels, was co-packaged with SiGe drivers and transimpedance amplifiers (TIA) and exhibited a 4 pJ/bit energy efficiency. The scaled up 400 Gb/s TxRx version featured 8 channels with a channel spacing of 1.14 nm and achieved an average ER of 4.5 dB.

Η εκρηκτική αύξηση της πληροφορίας που διακινείται μέσω των Κέντρων Δεδομένων (ΚΔ) δημιουργεί μια σειρά από αυστηρές προδιαγραφές στους διαχειριστές τους, που πρέπει να αυξήσουν τις δυνατότητες των υπάρχων δικτύων προσφέροντας : (i) υψηλή αξιοποίηση του δικτύου και των διαθέσιμων πόρων (ii) υψηλό ρυθμό μετάδοσης (iii) χαμηλή καθυστέρηση και (iv) χαμηλή κατανάλωση. Σε αυτό το πλαίσιο, οι τεχνολογίες οπτικής διασύνδεσης εμφανίζονται σαν μια τεχνολογική πλατφόρμα, που μπορεί να αντικαταστήσει τις τωρινές ηλεκτρονικές διασυνδέσεις με υψηλού ρυθμού, χαμηλής κατανάλωσης οπτικές υλοποιήσεις σε διάφορα τμήματα του δικτύου. Η έρευνα που έχει πραγματοποιηθεί στο πλαίσιο της παρούσης διατριβής έχει επικεντρωθεί στην ανάπτυξη ενός οπτικού μεταγωγέα πακέτου υψηλού ρυθμού, χαμηλής καθυστέρησης και υψηλού αριθμού θυρών, καθώς και στην μελέτη και υλοποίηση φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, για τη νέα γενιά οπτικών μεταγωγέων και αναμεταδοτών. Στην αρχή της παρούσας διατριβής, παίρνοντας υπόψη τις προδιαγραφές που επιβάλλονται από τις τεχνικές διαχωρισμού πόρων στα δίκτυα ΚΔ, προτάθηκε και παρουσιάστηκε μια αρχιτεκτονική οπτικού μεταγωγέα πακέτου, που ονομάζεται Hipoλaos (High port λ-routed all optical switch). Ο μεταγωγέας Hipoλaos υλοποιεί ένα υβριδικό σχήμα μεταγωγής, ακολουθώντας την Spanke αρχιτεκτονική, αλλά και ενσωματώνει τις δυνατότητες δρομολόγησης σημάτων μέσω συστοιχιών κυματοδηγών περίθλασης (AWGR) και προσωρινής αποθήκευσης στο οπτικό πεδίο, για να προσφέρει υψηλό αριθμό θυρών και καθυστέρηση μικρότερη του μs. Στα πλαίσια της διατριβής, υλοποιήθηκε πειραματικά ένα επίπεδο 1024-θυρών αρχιτεκτονικής Hipoλaos, και επιβεβαιώθηκε η λειτουργικότητα του για πακέτα 10 Gb/s. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η δυνατότητα μεταφοράς του μεταγωγέα στη πλατφόρμα φωτονικής ολοκλήρωσης πυριτίου-επί-οξιδίου διαστάσεων μικρό μετρου (μm-SOI). Με αυτό το σκοπό, σχεδιάστηκε το βασικό δομικό στοιχείο της προσωρινής οπτικής αποθήκευσης πακέτου, δηλαδή ένα οπτικός ενναλάκτης χρονοθυρίδας (TSI), με τις οπτικές καθυστερήσεις υλοποιημένες μέσω κυματοδηγών τεχνολογίας um-SOI. Στη συνέχεια, σχεδιάστηκε ένας μεταγωγέας Hipoλaos, με την προσωρινή αποθήκευση, μέσω γραμμών καθυστέρησης, και τη δρομολόγηση μήκους κύματος, μέσω ενός 3×3 φράγματος περίθλασης Echelle, να βασίζονται σε um-SOI στοιχεία. Η λειτουργία του πρότυπου 9×9 οπτικού μεταγωγέα επιβεβαιώθηκε πειραματικά για πακέτα 10 Gb/s, για απλή λειτουργία και για λειτουργία πολύ-εκπομπής ,παρουσιάζοντας ρυθμό σφαλμάτων 1E-9.