Ανάπτυξη ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για οπτική διασύνδεση σε κέντρα δεδομένων και σε υπολογιστικά συστήματα υψηλών επιδόσεων

Abstract

By the end of 2023, almost 2/3 of the world's population will have access to the Internet, and the number of devices that will be connected to a network with an IP address will be about three times the global population. At the same time, the Internet of Things, Artificial Intelligence and cloud applications are thriving, pushing data traffic over the edge. In more detail, traffic in data centers is expected to reach 19.5 ZB by the end of 2021, when in 2016 was only 6 ZB, with the majority of this traffic staying within the data center (71.5%). It is therefore clear, that data centers play a key role in the transmission of information, while their interconnection in the most fast, high-bandwidth and efficient way- in terms of cost and power consumption- is vital. This dissertation attempts to contribute to this path. Through the study, design and experimental evaluation of photonic integrated circuits up to the experimental demonstration of a high-speed and high-bandwidth Active Optical Cable, proposes an optical intra-datacenter interconnection that tackles the modern challenges.The first basic contribution of the current dissertation concerns the design of an integrated SOI multiplexer/demultiplexer with polarization insensitivity. The purpose of developing such a structure is to use it as a WDM multiplexer/demultiplexer in an Active Optical Cable. For this reason, a structure based on a Mach-Zehnder Interferometer equipped with MMI couplers, was designed through extensive simulation studies. The second contribution of the dissertation involves the study of single-mode VCSELs operating in the C-band window. These structures, that constitute the most important elements of the optical interconnect under development, were evaluated both in terms of their operating characteristics and of their behaviour in two system-level experiments. The first experiment exploited a novel method of generating a PAM-4 optical signal through polarization multiplexing while the second one achieved data transmission at 80 Gb/s with PAM-4 modulation format. The last main contribution of the dissertation involves the evaluation under laboratory conditions of different developed prototypes: a transmitter, a receiver and a multicore fiber with a breakout interface. These devices exhibited excellent performance and thus were considered as suitable for the implementation of optical interconnects of data centers and high-performance computing systems.

Μέχρι τα τέλη του 2023, σχεδόν τα 2/3 του παγκόσμιου πληθυσμού θα έχουν πρόσβαση στο Διαδίκτυο, ενώ ο αριθμός των συσκευών που θα είναι συνδεδεμένες σε δίκτυα έχοντας μια διεύθυνση IP θα είναι περίπου τριπλάσιος από τον παγκόσμιο πληθυσμό. Παράλληλα, με δεδομένη την εξέλιξη του Διαδικτύου των Πραγμάτων, της Τεχνητής Νοημοσύνης και των εφαρμογών νέφους, αναμένεται περαιτέρω έκρηξη στη διακίνηση των δεδομένων ετησίως. Πιο συγκεκριμένα, η κίνηση στα κέντρα δεδομένων για το 2021 αναμένεται να αγγίξει τα 19.5 ΖΒ, όταν το 2016 ήταν μόλις 6 ΖΒ, με την πλειοψηφία αυτής της κίνησης να πραγματοποιείται εντός των κέντρων δεδομένων (71.5%). Γίνεται λοιπόν άμεσα αντιληπτό ότι τα κέντρα δεδομένο κατέχουν βαρύνοντα ρόλο στη διακίνηση της πληροφορίας ενώ η διασύνδεσή τους με όσο το δυνατόν πιο αξιόπιστο, γρήγορο και αποδοτικό -από μεριάς κόστους και κατανάλωσης- τρόπο είναι ζωτική σημασίας. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρεί να συμβάλλει ακριβώς στο κομμάτι αυτό. Εκκινώντας από τη μελέτη, το σχεδιασμό και την πειραματική αξιολόγηση ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων και καταλήγοντας στην πειραματική επίδειξη ενός ταχύρρυθμου και μεγάλου εύρους ζώνης Ενεργού Οπτικού Καλωδίου, προτείνει μια οπτική διασύνδεση εντός των κέντρων δεδομένων που απαντά στις σύγχρονες προκλήσεις. Ο πρώτος βασικός άξονας της διατριβής αφορά στο σχεδιασμό ενός πολυπλέκτη/ αποπολυπλέκτη με αναισθησία στην πόλωση, ολοκληρωμένου σε πλατφόρμα τεχνολογίας SOI. Σκοπός της ανάπτυξης αυτή της δομής είναι η χρήση της για πολυπλεξία/αποπολυπλεξία κατά μήκος κύματος σε ένα Ενεργό Οπτικό Καλώδιο. Για το λόγο αυτό σχεδιάστηκε και μελετήθηκε σε προσομοιωτικό περιβάλλον μια δομή βασισμένη στην τοπολογία ενός συμβολομέτρου Mach-Zehnder εξοπλισμένου με συζεύκτες ΜΜΙ. Ο δεύτερος άξονας της διατριβής αφορά στη μελέτη μονορυθμικών VCSELs με μήκος κύματος λειτουργίας στο παράθυρο των 1550 nm. Οι δομές αυτές, οι οποίες αποτελούν τα πιο σημαντικά στοιχεία της υπό ανάπτυξη οπτικής διασύνδεσης, αξιολογήθηκαν τόσο ως προς τα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους όσο και ως προς τη συμπεριφορά τους σε δυο συστημικά πειράματα. Στο πρώτο πείραμα χρησιμοποιήθηκε μια καινοτόμος μέθοδος δημιουργίας ενός PAM-4 παλμού μέσα από την τεχνική της πολυπλεξίας στην πόλωση ενώ στο δεύτερο πείραμα πραγματοποιήθηκε μετάδοση δεδομένων με ρυθμό 80 Gb/s και τρόπο διαμόρφωση PAM-4. Ο τελευταίος άξονας της διατριβής, αφορά στην πειραματική επίδειξη ολοκληρωμένων συσκευών πομπού, δέκτη και πολυπύρηνης ίνας με διεπαφή απεμπλοκής. Οι δομές αυτές, επέδειξαν άριστα χαρακτηριστικά λειτουργίας και κρίθηκαν κατάλληλες για την υλοποίηση οπτικών διασυνδέσεων κέντρων δεδομένων και υπολογιστικών συστημάτων υψηλών επιδόσεων.