Was genau ist Siliziumphotonik?

Siliziumphotonik ist ein beliebtes Konzept im Bereich der optischen Kommunikation. Viele Technologiegiganten wie NVIDIA, Intel und Cisco setzen stark auf Siliziumphotonik. Die Branche ist sich auch weitgehend einig, dass Siliziumphotonik die Zukunft der optischen Kommunikation sein wird.

Was genau ist also Siliziumphotonik? Warum wird sie entwickelt? Und wie funktioniert sie?

In diesem Artikel wollen wir diese Fragen klären.

Was ist Siliziumphotonik?

Bevor wir uns mit Siliziumphotonik befassen, schauen wir uns zunächst ein traditionelles Infrastrukturmodell für optische Kommunikation an:

Dieses Modell sollte relativ einfach verständlich sein. Zwei Netzwerkeinrichtungen verfügen jeweils über ein optisches Modul. Ein optisches Modul ist ein "Elektro - optischer Konverter", der die Umwandlung zwischen elektrischen und optischen Signalen ermöglicht. Zwischen den optischen Modulen verläuft eine optische Faser, die optische Signale überträgt.

Nachdem die optischen Signale die Einrichtung erreicht haben, werden sie durch das optische Modul in elektrische Signale umgewandelt und dann über die elektrischen Kanäle innerhalb der Einrichtung an den Switch - Chip zur Datenverarbeitung gesendet.

SerDes ist ein Schlüsselbestandteil dieser elektrischen Kanäle. Es ist die Abkürzung für SERializer (Serialisierer) / DESerializer (Deserialisierer). Wir können es als einen "Seriell - Parallel - Konverter + Kanal" verstehen, wie in der folgenden Abbildung gezeigt:

Man weiß auch, dass optische Kommunikation eine höhere Übertragungsrate, einen geringeren Energieverbrauch, niedrigere Kosten und eine bessere Störungsfestigkeit aufweist und somit weitaus leistungsfähiger ist als elektrische Kommunikation mit Kupferleitungen.

Wenn man die Leistung des gesamten Kommunikationssystems verbessern möchte, sollte man: Alle Datenübertragungskanäle in optische Kanäle umwandeln.

Hier gibt es zwei Ansätze:

1. Optische Module so nahe wie möglich an den Switch - Chip bringen, um die Länge der elektrischen Kanäle zu verkürzen:

Tatsächlich war SerDes immer ein Engpass in der Kommunikation. Früher, als die Bandbreite der Kommunikationseinrichtungen noch geringer war, reichte SerDes noch aus.

Heute, in der Zeit der AI - Welle, erfordern die Netzwerkschnittstellen von Rechenleistungskluster häufig Bandbreiten von 400G, 800G oder sogar 1,6T. Dies stellt eine enorme Herausforderung für die elektrischen Kanäle dar.

Tatsächlich sind die elektrischen Kanäle an ihre Grenzen gestoßen. Der Verlust bei der elektrischen Kommunikation ist hoch. Wenn die Länge des SerDes - Kanals etwas länger wird, nimmt das Signal stark ab und die Übertragungsrate sinkt rapide.

2. Wenn wir einen Schritt weiter denken: Wenn wir die optischen Module so nahe wie möglich an den Switch - Chip bringen wollen, warum nicht einfach das optische Modul und den Switch - Chip zu einem "Chip" zusammenfassen?

Richtig! Diese Technologie, die den Netzwerkswitch - Chip und das optische Modul (optische Engine) "gemeinsam verpackt", ist die derzeit sehr beliebte CPO (Co - packaged optics, gemeinsame optische Verpackung) - Technologie im Bereich der optischen Kommunikation.

Hinter der CPO - Technologie steckt der technologische Gedanke, "mehrere optische Bauelemente auf einem Siliziumsubstrat zu integrieren", das ist Silizium - Optoelektronik, auch bekannt als "Siliziumphotonik (silicon photonics)".

Einfacher ausgedrückt:

Die CPU und GPU in Computern sowie der SoC in Mobiltelefonen sind im Wesentlichen Halbleiterchips auf Siliziumbasis und integrierte Schaltungen.

Siliziumphotonik kombiniert die Silizium - Halbleitertechnologie mit der optischen Kommunikationstechnologie. Auf einem Siliziumchip werden optische Bauelemente hergestellt und integriert, um die Übertragung und Verarbeitung von optischen Signalen zu ermöglichen, was zu einer "integrierten optischen Schaltung" führt.

Architektur und Prinzip des Silizium - optischen Moduls

Als nächstes betrachten wir die technischen Details der Siliziumphotonik anhand eines Vergleichs zwischen Silizium - optischen Modulen und traditionellen optischen Modulen.

Die Hauptaufgabe eines optischen Moduls ist das Emittieren und Empfangen von Licht. Ein traditionelles optisches Modul besteht aus mehreren Komponenten, darunter aktive Bauelemente wie Laser (Lichtquelle), Modulatoren und Detektoren sowie passive Bauelemente wie Linsen, Justierkomponenten und Faserendflächen.

Beim Herstellen eines traditionellen optischen Moduls werden diese Bauelemente zunächst separat hergestellt und dann zu einem kompletten optischen Modul zusammengebaut. Dieser Prozess kann als "Separate Bauelementeverpackung" bezeichnet werden.

Ein traditionelles optisches Modul enthält sowohl elektrische als auch optische Chips.

Einige elektrische Chips sorgen für die Unterstützung der optischen Chips, wie z. B. LD (Laser - Treiber), TIA (Transimpedanzverstärker), CDR (Clock and Data Recovery - Schaltung). Andere sind für die Leistungseinstellung des elektrischen Signals verantwortlich, wie z. B. MA (Hauptverstärker). Darüber hinaus gibt es auch komplexe digitale Signalverarbeitungs - (DSP) - Chips.

Die optischen Chips sind hauptsächlich für die Umwandlung zwischen optischen und elektrischen Signalen verantwortlich, wie z. B. Laserdiodenchips und Detektorchips.

Die elektrischen Chips basieren hauptsächlich auf Siliziummaterialien. Die optischen Chips basieren hauptsächlich auf III - V - Halbleitermaterialien wie InP (Indiumphosphid) / GaAs (Galliumarsenid).

Hier eine Erklärung: Es gibt hauptsächlich drei Arten von Halbleitermaterialien: Einzelelement - Halbleitermaterialien, III - V - Verbindungs - Halbleitermaterialien und Breitband - Halbleiter.

Die III - V - Verbindungen InP (Indiumphosphid) und GaAs (Galliumarsenid) gehören zu den zweiten Generationen von Halbleitern. Sie haben Vorteile wie hohe Frequenz, gute Hoch - und Niedertemperaturleistung, starke Strahlungsfestigkeit und hohe optoelektrische Umwandlungseffizienz und eignen sich daher sehr gut als Substratmaterial für optische Chips.

Es gibt viele Arten von Lasern. Unterschiedliche Arten verwenden unterschiedliche Halbleitermaterialien. Man kann sich die folgende Tabelle ansehen:

Schauen wir uns nun die Silizium - optischen Module an.

Silizium - optische Module verwenden die CMOS - Herstellungstechnologie (die gleichen Technologien wie bei der Herstellung von elektrischen Chips, wie z. B. Photolithographie, Ätzen und Abscheidung). Direkt auf Silizium (Si) - Material werden Modulatoren, Detektoren und passive optische Bauelemente hergestellt. Die Integrationsdichte ist deutlich höher als bei traditionellen optischen Modulen.

Innere Struktur eines Silizium - optischen Moduls (Quelle: Intel)

Vergrößert betrachtet:

Quelle: Intel

Silizium - optische Module und traditionelle optische Module haben in der Funktion eigentlich ähnliche Architekturen:

Quelle: "Studie über 400G FR4 Silizium - optische Transceivermodule" (Song Zeguo et al.)

Der Unterschied ist nur, dass die Silizium - optischen Module alle Bauelemente integrieren und somit kompakter werden:

Architektur eines 400G Silizium - optischen Moduls (Quelle: Intel)

Quelle: imec

Die folgende Abbildung zeigt ein Schema der Verpackungsstruktur eines Silizium - optischen Moduls:

Als nächstes betrachten wir die konkrete Umsetzung jeder Komponente einzeln.

Laser

Das Emittieren von Licht ist der erste Schritt für ein optisches Modul. Und das Emittieren von Licht hängt hauptsächlich vom Laser ab.

Interessanterweise ist der Laser das größte Schwachpunkt bei der Siliziumphotonik. Die anderen Bauelemente sind kein Problem.

Silizium ist ein Halbleiter mit indirekter Bandlücke. Seine Eigenschaften eignen sich nicht gut für die Lichtemission (die Effizienz der Photonenemission bei der Rekombination von Elektronen und Löchern ist gering). Daher wird beim Herstellen von Silizium - optischen Modulen normalerweise kein Laser direkt auf dem Siliziumchip hergestellt. Stattdessen werden die III - V - Halbleitermaterialien wie InP und GaAs aus traditionellen optischen Bauelementen zu Lasern hergestellt und dann "extern" an den Siliziumchip angebracht. Die Methoden für die externe Anbringung umfassen heterogene Integration und epitaktisches Wachstum (monolithische Integration) usw.

Derzeit neigt die Branche dazu, CW (Continuous Wave, Dauerstrich) - Laserdiodenchips als externe Lichtquelle zu verwenden. Dieser Laser hat einen stabilen Betriebszustand, kann Dauerstrichlaser emittieren und hat Vorteile wie gute Kohärenz, hohe Zuverlässigkeit, abstimmbare Wellenlänge und lange Lebensdauer.