Silicon Photonics: Basis für Terabit-Netze

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Silicon Photonics ist ein Begriff für die Erforschung und Anwendung Photonischer Systeme, die Silizium als optisches Medium benutzen. Ziel ist die Integration optischer Komponenten. Das erste System, was hiervon im Bereich der Corporate Networks profitiert hat, ist 100 GbEthernet. Schon 2009 wurde ein erstes Muster für einen Terabit Ethernet Transceiver vorgestellt.

Damit sind die Anwendungsmöglichkeiten aber längst nicht ausgeschöpft. Die Verkleinerung von Komponenten nach Moore´s Law wird eine natürliche Grenze an der Stelle finden, wo ein Transistor kleiner als die Ausbreitung eines Elektrons in einem Halbleiter-Festkörper ist. Ein Elektron wird im Festkörper ungefähr 5 nm groß. Also muss ein Transistor, der es beherrschen möchte, mindestens 7 nm groß sein.

Aber auch schon viel eher, spätestens ab den aktuellen 22nm Prozessen, gibt es eine erhebliche Diskrepanz zwischen den elektronischen Komponenten als solchen und der Kommunikation zwischen den Baugruppen. Diese braucht zu viel Platz, zu viel Strom und ist überdies zu langsam.

Wollen wir ernsthaft eine Kommunikation etablieren, die zu den neuesten Entwicklungen bei Prozessoren und Speicherchips passt, müssen wir das schnellste Elementarteilchen nehmen, was wir kennen und beherrschen. Bei vielen wird das ein Pudding-Teilchen sein. Für eine wirklich schnelle Übertragung brauchen wir das Photon. Ein Elektron breitet sich größenordnungsmäßig mit 10 exp 5 m/s aus, das Photon im Bereich von 10 exp 8 m/s, also Eintausend Mal schneller. Die tatsächliche Geschwindigkeit hängt dann von den Möglichkeiten der Ausbreitung im Medium ab, ein Photon wird vor allem durch die Brechung verlangsamt, aber nur um einen vergleichsweise geringen Faktor.

Die Grundprinzipien der Integration Optischer Komponenten sind schon länger bekannt. Mittlerweile haben aber verschiedene Entwicklungen den Weg vom Labor in die Praxis gefunden. Manche von ihnen werden auch das Bild zukünftiger Corporate Networks erheblich prägen. Dieser Artikel erklärt die für uns wichtigsten Entwicklungen und erschließt die daraus schon heute sichtbaren Konsequenzen.

Bei Silicon Photonics ist vor allem die Integration Optischer Komponenten die Haupt-Triebfeder. Der aktuelle kommerzielle Erfolg bei InP-und InGaAsP-basierten Photonic Integrated Circuits (PICs) hat hier die Welt verändert. Bis vor wenigen Jahren war zwar die Theorie klar, aber es hat zunächst nicht zu Produkten geführt, die hinsichtlich ihres Preis/Leistungsverhältnisses oder in Bezug auf ihre Zuverlässigkeit geeignet gewesen wären, die bestehenden, aus Einzelkomponenten zusammengesetzten Schaltungen wie Transceiver zu ersetzen.

Mittlerweile gibt es jedoch eine Reihe stabiler Herstellungsprozesse, die bestimmte Komponenten zusammenfügen können. Die dabei erzielten Reduktionen in Größe und Gewicht waren dabei weniger überraschend als die Gewinne bei Kosten, Stromverbrauch, Zuverlässigkeit und Leistung. Nunmehr werden geeignete PICs für eine Reihe von Anwendungen entwickelt.

Kern der meisten PIC-Entwicklungen ist eine aktive und passive Integrationstechnik für Wellenleiter. Art und Weise dieser Integrationstechnik entscheiden letztlich über die Brauchbarkeit der so entstehenden PIC-Plattformen für unterschiedliche Anwendungsbereiche.

1. Primäre Anwendungsbereiche

Es gibt für den Betreiber von Corporate Networks zwei wesentliche Anwendungsbereiche, nämlich die Kommunikation innerhalb einer Multi-Core Architektur und die Kommunikation über Systemgrenzen hinweg.

Die heute existierenden Multi-Core Architekturen haben allesamt ein gewaltiges Problem, nämlich die Kommunikation zwischen den Kernen und zwischen Kernen und weiteren Komponenten, wie Speicherchips. Die Probleme bei den sozusagen inneren Übertragungswegen stellen ein ernst zu nehmendes Hindernis für die zukünftige Leistungsentwicklung dar. Außerdem sind sie in erheblichem Maße für den Energieverbrauch der Chips und die dadurch entstehende Abwärme-Problematik verantwortlich. Schwierigkeiten beginnen dann, wenn zwischen den Cores Mehrfache von 10 Gbit/s. übertragen werden sollen. Die Leistung einer Verbindung innerhalb des Chips, die zwar nur wenige mm lang, dafür aber auch nur 25 oder 40 µm breit ist, liegt so etwa bei 2,5 … 3,5 Gbit/s.

Der „Querschnitt“ einer solchen Leitung liegt zwischen 20 und 50 µm², der Innenwiderstand und die wegen ihm bei einer Übertragung aufzubringende Verlustleistung sind entsprechend sehr hoch. Für 10 Gbit/s Vollduplex zwischen zwei Cores benötigt man schon acht solcher Leitungen, ab ca. 16 – 32 Cores entsteht ein Bus, dessen Fläche auf dem Chip größer als die der eigentlichen Rechnerkerne werden kann.

Gefragt ist also eine andere Übertragungstechnologie, die letztlich nur durch die PICs erreicht werden kann. Dabei ersetzen integrierte optische Wellenleiter die bisherigen Leiterbahnen und optische Transceiver die bisherigen elektrischen Treiber. Bild 1 zeigt die Idee

Außerhalb des Multicore-Prozessorbereiches geht es vor allem um die Schaffung eines „harmonischen“ Systems, bei dem alle Komponenten sinnvoll zusammenarbeiten können. Innerhalb eines Gehäuses oder eines Blades wird man noch sehr lange auf elektrische Kommunikation setzen, denn die aktuellen Busstrukturen auch bei Blade-Systemen sind bis weit in den Multi-Terabit-Bereich geeignet.

Sobald man aber die Enclosure verlassen möchte, kommt die optische Kommunikation im herkömmlichen, uns bekannten Sinne zum Tragen. Die Leistung Optischer Übertragungssysteme ist in den letzten 15 Jahren etwa um den Faktor 100 gestiegen. Dies ist harmonisch zu anderen Bereichen der Übertragung. Bei Ethernet kamen wir in diesem Zeitraum von Fast Ethernet mit 100 Mbit/s zu 100 GbE. Im Wireless-Bereich kamen wir von 1 Mbit/s mit den frühen 802.11-Standards zu Mehrfachen von 100 Mbit/s. bei 802.11n und 11ac. In weniger als zwei Jahren werden mit WiGig, 11ax und 11ay multiple Gigabit-Datenraten in den Zellen entstehen.

Während im RZ 100 GbE ankommt, arbeiten Provider schon längst mit DWDM-Systemen im Bereich von 1 – 10 TbE auf großen Entfernungen. Es gibt bereits erste Überlegungen zu Petabit-Netzen (1000 Terabit/s). Das sind natürlich heute vielfach unerschwingliche Systeme. Durch die Integration optischer Komponenten werden sie aber im interessierenden Zeitraum so billig werden, dass wir so ab 2017/18 durchaus damit beginnen werden, über Terabit Ethernet im RZ ernsthaft zu diskutieren.

2. Basiskomponenten

Optische Basiskomponenten sind generell:

  • Lichtsender oder Strahlungsquelle
  • Lichtwellenleiter
  • Verstärker
  • Lichtempfänger

Möchte man Informationen übertragen, kommen

  • Modulatoren und
  • Demodulatoren

hinzu. Möchte man auf einem Lichtwellenleiter mehrere Informationsströme parallel übertragen (CWDM, DWDM), benötigt man des Weiteren

  • Wellenlängenmultiplexer und
  • Wellenlängendemultiplexer

Das Bild 2 zeigt den Aufbau eines optischen Übertragungssystems mit diesen Komponenten. Die Leistung eines solchen Systems ist von der Einzel-Leistung der Komponenten abhängig.

Lichtwellenleiter betrachten wir hier nicht weiter, sie sind in anderen Publikationen hinreichend dokumentiert und tragen zum Verständnis der Integrierten Optischen Technologie nicht weiter bei.

2.1 Strahlungsquellen

Für den hier interessierenden Bereich kommen nur Laser in Frage.

Die Laserbauart, die im Zusammenhang mit den Silicon Photonics am meisten interessiert, ist der Halbleiterlaser. Ein p-n-Übergang liefert hier das aktive Medium. Um stimulierte Emission zu erhalten, muss es eine Region im Halbleiterlaser geben, in der viele erregte Elektronen und vakante Zustände (Löcher) zusammen anwesend sein. Wird der p+ – n+ Übergang mit einer Spannung vorgespannt, deren Betrag nahe der Energielücke liegt, so werden Elektronen und Löcher in den Übergang injiziert und zwar in so großer Zahl, dass sie in einer schmalen Zone eine Populationsinversion hervorrufen können. Diese Zone heißt dann auch aktive Zone des Halbleiterlasers. Die Dicke der aktiven Zone kann durch die Diffusionslänge der Ladungsträger approximiert werden und liegt für stark dotiertes GaAs bei 1-3 µm.

Bei der Schaffung integrierter Strukturen kann es darauf ankommen, dass das Licht z.B. nach oben austritt. Dazu benötigen wir eine vertikal liegende Höhle. Die Vertikalemitterdiode VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laserdiode) erreicht dies mit spiegelnden Anordnungen innerhalb der Halbleiterstruktur. Eine mit einem einfachen Übergang aufgebaute Laserdiode sendet Licht unterschiedlicher Wellenlängen aus, bei unterschiedlicher Intensität pro Wellenlänge. Ein solches Verhalten ist aber für Mehrkanalsysteme nicht wünschenswert, die Unterdrückung der „Nebenwellen“ ist wichtig, weil wir ja nur Licht einer bestimmten singulären Frequenz für einen Kanal brauchen können. Es sind heute VCSELs lieferbar, die mit 40 Gigabit moduliert werden können, innerhalb der nächsten zwei Jahre wird es auch 100 Gb-VCSELs in Stückzahl geben.

Die VCSEL ist die Basiskomponente von Silicon Photonics!

Gleich sehen wir uns die Verbindung von VCSELs mit anderen Komponenten an.

2.2 Verstärker
Bei Optischen Netzen werden als Verstärker üblicherweise Einrichtungen bezeichnet, die das optische Signal so nehmen, wie es ist und verstärken. Im WAN-Bereich sind das vor allem die EDFAs (Erbium Doted Fiber Amp), die aber hier nicht von Belang sind. Wir konzentrieren uns auf die SOAs (Silicon Optical Amp).

Der Grundaufbau eines SOA ist einem Halbleiterlaser ähnlich. Er besteht aus einem lichtleitenden aktiven Medium (einem p-n-Übergang). Die Energieniveaus sind dann das Leitband und das Valenzband. Durch Pumpen wird Elektron-Loch Rekombination unter Emission von Photonen stimuliert. Bei elektrischem Pumpen erzeugt man auf diese Weise einfach eine LED, wird aber eine lichtleitende Schicht eingefügt, so kommt man zum optischen Pumpen und somit zum gewünschten Verstärkungseffekt.

Durch entsprechende Auswahl der Materialien, z.B. InGaAs oder InGaAsP, kann man SOAs für die Wellenbereiche bauen, die in der optischen Kommunikation bevorzugt werden, z.B. 1300 oder 1550 nm. Da die Energiebänder in einem Halbleiter viel breiter sind als in einem EDFA, verstärkt der SOA in einem viel breiteren Band. Das bedeutet, dass SOAs erst ab Übertragungsraten von mehreren Gigabit/s. brauchbar sind, weil sonst die Nebensprechdämpfung durch nichtlineare Effekte zu hoch wird. Wegen seiner asymmetrischen Geometrie ist ein SOA abhängig von der Ausbreitungsebene des Lichtes, der Polarisation. Einen SOA kann man gut mit anderen integrierten optischen Komponenten kombinieren, wie wir im gleich noch sehen werden, z.B. mit einem Laser, einem Detektor oder einem Modulator. Der SOA hat den großen Vorteil, aufgrund seiner Konstruktion in einem weiten Bereich geschwindigkeitsunabhängig zu sein, SOAs für 2,5 Gigabit/s funktionieren auch bei 10 Gigabit/s., SOAs für 10 Gigabit/s. verstärken auch klaglos Signale, die einen Datenstrom von 40 Gigabit/s. repräsentieren.
Wir sehen einen SOA in Bild 0.

2.3 Empfänger
In dem an den LWL gekoppelten Empfänger wandeln Photodetektoren die optischen Impulse wieder in elektrische Signale um. Sie nutzen hierbei den inneren photoelektrischen Effekt aus. Eine auf den Detektor treffende Lichtstrahlung bestimmter Wellenlänge erzeugt in den verschieden dotierten Zonen des Halbleiters Ladungsträgerpaare. Hierdurch entstehen in einer vorgespannten Diode Driftströme. Diese Ströme sind bei einfachen Photodioden, z. B. PIN-Dioden (P-type, Intrinsic, N-Type), proportional zur einfallenden Lichtleistung. Ein großer Nachteil dieser recht einfach aufgebauten Photodetektoren ist der geringe Ausgangsstrom der Diode. Dieser muss durch nachgeschaltete, besonders empfindliche (und somit rauschende) Verstärker vervielfacht werden.

Das Problem der geringen Photoströme bei PIN-Dioden kann durch sogenannte Lawinen-Photo-Dioden (auch Avalanche-Dioden oder kurz APD genannt) umgangen werden. Dieser Diodentyp wird sehr stark in Sperrichtung vorgespannt (bis 400 V), so dass sich durch einfallende Photonen gelöste Ladungsträger durch Stoßionisation vervielfachen und auf diese Weise den Photostrom verstärken. Dadurch hat das zum Verstärker geführte Signal einen wesentlich höheren Abstand zum Verstärkerrauschen. Der Nachteil der APD ist aber (ähnlich wie bei der Laser-Diode) eine starke Temperaturempfindlichkeit. Durch aufwändige Schaltungen muss diesem Problem Rechnung getragen werden. Die Technik hierzu wird allerdings beherrscht.

2.4 Sender = Verstärker = Empfänger
Zunächst hat es sich als sehr erfolgreich herausgestellt, Strahlungsempfänger genauso aufzubauen wie VCSELs und durch Änderungen der Eigenschaften der Bragg-Reflektoren das Licht „einzufangen“ und in der aktiven Schicht nach außen hin entsprechend auswertbare Rekombinationen zu provozieren.

Strahlungsquellen und Empfänger können also im gleichen Prozess lediglich durch die Änderung von Herstellungsparametern erzeugt werden.

Durch diesen Erfolg ist man auf die Idee gekommen, durch eine höhere Durchlässigkeit der Bragg-Reflektoren aus einer VCSEL einen SOA zu machen. Auch dies ist mittlerweile erfolgreich.

Damit ist es ein und dieselbe Grundstruktur im Herstellungsprozess der Silicon Photonic Chips, die je nach Wunsch zu Sender, Verstärker oder Empfänger werden kann.

2.5 Modulatoren /Demodulatoren
Grundsätzlich sind zwei Alternativen der Modulation denkbar: direkte Modulation und externe Modulation.

Bei der direkten Modulation wird der Injektionsstrom des Halbleiterlasers im Rahmen der Eigenschaften der primären Zeichenschwingung variiert. Bei digitalen Systemen entspricht dies einer Pulsmodulation. Das Problem dabei ist, dass Änderungen im Injektionsstrom auch Änderungen im Brechungsindex der aktiven optischen Schicht des integrierten Halbleiterlasers hervorrufen können. Bei der externen Modulation sendet der Laser konstant, das Licht wird dann aber in einer getrennten Einrichtung moduliert, z.B. mit einer Mach-Zehnder Interferometer Struktur auf einem Lithium-Niobat Substrat. Wir sehen eine solche Struktur in der Bild 4.

Das monochromatische, kohärente Licht des Lasers wird in der MZI-Struktur durch eine Verzweigung im integrierten Wellenleiter gleichmäßig geteilt. Ein Zweig des Wellenleiters wird nicht beeinflusst, im anderen Zweig kann man den Brechungsindex durch Anlegen einer Steuerspannung geringfügig beeinflussen. Die Beeinflussung des Brechungsindexes erzeugt eine Phasenverschiebung des durch diesen Zweig laufenden Lichtanteils. Diese Phasenverschiebung wird durch die primäre Zeichenschwingung gesteuert. Führt man dann den beeinflussten und den unbeeinflussten Zweig des integrierten Wellenleiters wieder zusammen, entstehen Interferenzen, die zu Intensitätsschwankungen gemäß dem Verlauf der primären Zeichenschwingung führen. Abb.5 zeigt nochmals einen Schnitt durch den MZI an der Stelle, wo die Beeinflussung des Brechungsindexes stattfindet. Auf dem Substrat liegt eine n-dotierte Schicht, über der die lichtwellenleitende Schicht aufgebracht ist. Auf dieser wiederum liegt eine p-dotierte Schicht. Legt man jetzt Strom an den Kontakt über der p-Schicht, so entsteht durch erhöhte Rekombination von Elektron-Loch-Paaren in der lichtwellenleitenden Intrinsic Schicht ein elektrisches Feld, welches kontraproduktiv zum Photonenfluss ist, also diesen verlangsamt, was einer Erhöhung des Brechungsindexes nach sich zieht.


Solange man mit einfachen Codierungen arbeitet, wie z.B. NRZ, benötigt man neben einem Lichtempfänger keinen weiteren Demodulator, sondern kann dessen Intensitätsschwankungen unmittelbar auswerten.

2.6 Optische Multiplexer und Demultiplexer
Für die Konstruktion von Wellenlängenmultiplexsystemen benötigt man außer den bisher besprochenen Komponenten noch Multiplexer und Demultiplexer. Dazu verwendet man passive optische Komponenten, die so genannte Phasare oder Arrayed Waveguide Gratings AWGs. Eigentlich würde für den gewünschten Effekt sogar ein Prisma reichen, was ja in der Lage ist, Licht aus unterschiedlichen Lichtwellenlängen zu einem Lichtstrahl zu konzentrieren bzw. einen Lichtstrahl in seine spektralen Komponenten zu zerlegen. Dem Prisma ist es dabei völlig gleichgültig, ob das Licht einfach Licht aus Freude am Sein ist oder ob das Licht Informationen trägt. Das Prisma ist in weitem Bereich frequenzunabhängig, also eine breitbandige Einrichtung in der Sprache der Nachrichtentechnik.

Leider führt eine rein prismatische Mischung oder Trennung von spektralen Komponenten zu einer erheblichen Phasenverschiebung, die für WDM-Systeme sehr ungünstig ist. Also versucht man, die Phasenverschiebung durch einen Ausgleich bei den Weglängen zu neutralisieren. Dann kommt man auf eine Einrichtung wie in Bild 6. Hier hat man in der Mitte eine Reihe von Lichtwellenleitern, die alle unterschiedlich lang sind und die Eingangs- und Ausgangs-Objektebenen miteinander verbinden.

Bei größeren Anwendungen, wie z.B. Transatlantikkabelübertragungssystemen gab es tatsächlich Schränke, in denen die Glasfasern liebevoll in der abgebildeten Art im Schrank auf einer Art Brett verlegt sind, ein befremdlicher Anblick, wenn man nicht weiß, worum es sich handelt. Mittlerweile ist es aber gelungen, die Phasare auf kleinste Halbleiterstrukturen zu integrieren. Dadurch werden sie nicht nur kleiner, sondern auch erheblich präziser. Bild 7 von der TU Gent zeigt einen integrierten Phasar für acht Kanäle. Links davon sind acht optische Verstärker zu sehen. Durch kleine Änderungen im Herstellungsprozess kann man aus diesen optischen Verstärkern auch Avalance-Empfänger oder VCSEL-Sender machen. So kommt man zu integrierten Multiwellenlängen-Sendern- und -Empfängern. Dies ist die Voraussetzung für die eingangs des Unterkapitels genannte dramatische Senkung in Volumina und Kosten.

Ein auf dieser Basis gebauter Multiwellenlängenlaser mit acht Kanälen im C-Band hat ein ganz außerordentlich gutes Trennschärfeverhalten. Fast 60 dB Differenz zwischen Signalspitzen und Grundrauschen, davon über 40 dB in Form einer wirklich sehr gut ausgeprägten Impulsspitze bringen diesen Laser in eine Leistungsklasse, die weit über dem liegt, was man z.B. für 10 Gigabit Ethernet benötigt.

3. Silicon Photonics, aktueller Stand
Es handelt sich um ein weites Feld, in dem Forschung, Fertigungsvorbereitung und Herstellung oft eng ineinander greifen. Es können hier nur Ausschnitte dargestellt werden.

Die Integration Optischer Komponenten hat eine Schlüsselfunktion für die Verbreitung Optischer Netze. Solange Optische Netze nur mit schrankgroßen Komponenten aufgebaut werden konnten, wurde ihr Einsatz aus Kosten- und Komplexitätsgründen auf das Notwendigste beschränkt, z.B. auf den Einsatz bei Seekabelsystemen.

Die Multiwellenlängentransmitter und Empfänger werden vor allem durch die bereits vorgestellten Phasare ermöglicht. Die Kanaltrennung mit ihnen ist wesentlich sauberer als mit Fiber Bragg Gittern. Die Menge der Wellenleiter funktioniert wegen der sorgsam designten Weglängen Differenzen als wunderbar phasenkontrolliertes Prisma. In einer integrierten Struktur kann man diese Weglängendifferenzen wesentlich feiner ausführen als bei der Konstruktion eines Phasars aus abgeschnittenen Glasfaserstücken.

Einen Silicon Photonics Schaltkreis kann man sich laienhaft so vorstellen wie einen konventionellen integrierten Schaltkreis mit dem Unterschied, dass es durch die Verwendung anderer Materialien möglich wird, lichtleitende Schichten einzubauen. Licht in diesen lichtleitenden Schichten wird dann z.B. durch Elektron-Loch-Rekombination oder andere elektrostatische oder elektrodynamische Vorgänge in den anderen Schichten des integrierten optischen Schaltkreises beeinflusst.

Die Integration von optischen Verstärkern und passiven Einrichtungen wie Demultiplexer und Koppler ist wie bereits erwähnt besonders wichtig für die Schaffung eines breiten Bereiches von Geräten wie Multiwellenlängenlaser, Wellenlängenkonverter, aktive optische Filter und optische Switches. Weiterhin können integrierte Verstärker für die Kompensation von Verlusten in Einheiten und bei der Ankopplung der Fasern benutzt werden.

Es gibt unterschiedliche Methoden, zu integrierten Strukturen für optische Komponenten zu kommen, Im Rahmen verschiedener Projekte wird die Methode verwendet, die Schichtenstruktur der SOAs als Ausgangspunkt zu wählen, bei der die aktive Schicht oben oder in der Mitte der wellenleitenden Schicht ist. In dieser Struktur wird nun die aktive Schicht lokal dadurch entfernt, dass man Gräben bis hinunter zur transparenten Wellenleiterschicht ätzt. Diese Gräben werden dann mit undotiertem InP oder mit InGaAsP/InP gefüllt und zwar indem man ein Wachstum dieser Schichten mit einem chemischen Wachstumsverfahren (Selective Area Chemical Beam Epitaxy SA-CBE) auf einem begrenzten Bereich fördert. Auf diese Weise erhält man einen planaren Wafer mit aktiven und passiven Regionen. Mit diesem Ansatz erreicht man hochqualitative Stoßverbindungen zwischen zwei transparenten Schichtenstapeln die einen Verlust von weniger als 0,1 dB pro Schnittstelle aufweisen und das Potential der verwendeten Wiederwachstumstechnik zeigen.

Diese Technologie wurde für die Integration von SOAs und transparenten Wellenleitern angewendet. Stoßverbindungen zwischen den aktiven und passiven Wellenleitern hatten Verluste von weniger als 0,25 bzw. 0,45 dB pro Schnittstelle in Abhängigkeit von der kristallinen Ausrichtung. Wellenleiter und SOAs werden in der gleichen Ausrichtungsstruktur hergestellt, wie die Bild 9 zeigt

SOAs mit transparenten Wellenleitern an beiden Seiten kann man auch als ausgedehnte Kantenemitterlaser auffassen, in dem man die gespaltenen Endfacetten des Chips als Laser-Spiegel(chen) benutzt. Auf einer Wellenlänge von 1560 nm konnte stabiles Laserverhalten erzeugt werden. Arbeitsschwellwertströme für gepulste Operation des Lasers liegen im Bereich von 65 mA, wobei die Schwellwertströme durch Erhitzung des Chips auch 5 mA größer werden können.

Weiterhin wurde durch die Integration von SOAs mit integrierten Phasaren eine Anzahl von Multiwellenlängenlasern mit sehr guter Leistung erzeugt. Die Phasare als optische Filter, die in der „Laserhöhle“ eingebettet sind. Indem man Strom auf einen oder mehrere SOAs gibt, startet der Laser mit der Aussendung von Licht auf einer oder mehreren Wellenlängen im Rahmen der maximalen Arbeitsbandbreite des Phasars. CW Schwellwertströme liegen typischerweise bei 80 mA, die Output-Leistung liegt bei über 1 mW. Dies ist ein ganz hervorragender Wert für die Benutzung in CWDM-Systemen. Leider ist die Energieausbeute nicht so besonders günstig und die gesamte Struktur neigt dazu, sich schnell aufzuheizen.

Multiwellenlängenempfänger werden normalerweise durch eine Verbindung einer Anzahl von Empfängern für eine Wellenlänge implementiert, die an den Ausgang eines Wellenlängendemultiplexers geschaltet werden. Die Integration des Demultiplexers, der Detektoren und der Empfängerverstärker auf einem einzelnen InP-Chip macht diese Einheiten mehr kompakt und auf längere Sicht damit billiger. In mehreren Projekten wurden die Multiwellenlängenempfänger mit einer Kapazität von bis zu 100 Gigabit/s. pro Kanal integriert. Die Empfängerempfindlichkeit ist heute ausreichend für eine Bitrate von bis zu 8 X 100 Gigabit/s.

In der Literatur gibt es Hunderte von Beispielen für integrierte optische Technologie. Viele beziehen sich auf Wellenlängenkonverter oder Kombinationen von Verstärkern und Sendern bzw. Empfängern mit erheblicher Reichweite, so z.B. 100 Gbit/s über 200 km SMF usf. Interessant für unsere Belange sind aber vor allem die 100 Gbit/s-Transceiver, weil sie für die nächste Ethernet-Generation stehen. Ein schönes Beispiel kommt vom Hersteller Infinera.

Ein weiterer heiß diskutierter Bereich ist die Steigerung der Übertragungsleistung auf einer einzelnen Wellenlänge. Bei WANs ist es tatsächlich so, dass es abzusehen ist, dass die bisherigen DWDM-Systeme irgendwann an ihre Grenzen stoßen. Natürlich ist bis heute letztlich Lichtmorsen das einzige Modulationsverfahren, auch wenn man es anders nennt. Das lässt sich natürlich noch steigern, z.B. durch die Einführung differenzieller Phasenmodulation oder gar OFDM. Das ist eine zum Funkbereich analoge Entwicklung. Während OFDM eher in der Ferne liegt, gibt es jetzt schon eine Reihe von DQPSK-Entwicklungen und Prototypen.

Schließlich gibt es noch den Traum vom rein optischen Switch. In einem solchen sollen optische Signale direkt vermittelt werden können, ohne zwischendurch eine elektro-optische Wandlung zu erfahren. Die Theorie kennen wir schon seit über 15 Jahren, Implementierungen gibt es auch, z.B. auf der Grundlage bewegliche Spiegel. Alle wirklich integrierten Technologien für Crossbar-Switches und benötigte Verzögerungselemente befinden sich aber irgendwie in einem permanenten Laborstadium, so dass hier für die nächsten 3 – 5 Jahre nicht mit greifbaren Ergebnissen zu rechnen ist.

4. Konsequenzen
Was bedeuten die genannten Entwicklungen nun für privat betriebene Netze in Unternehmen und Organisationen?

Beginnen wir mit den Rechenzentren.

Die integrierten optischen Silicon Photonics Komponenten werden innerhalb von Prozessor-Chips dann zur Verfügung stehen, wenn sie wirklich benötigt werden. Das bedeutet im Klartext, dass die Entwicklung der Multi-Core Architekturen durch die Kommunikationsseite nicht in dem Maße behindert wird, wie dies beim Festhalten an der bisherigen Übertragungstechnik zu erwarten gewesen wäre. Letztlich bekommen wir dadurch aber auch Prozessoren noch wesentlich höherer Leistung als heute bei erheblich geringerem Stromverbrauch.

Die Integration optischer Komponenten auf dieser Ebene führt zwar zu einer Änderung der Fertigungsprozesse, aber nicht notwendigerweise zu einer Kostensteigerung. Eine Kostensenkung ist allerdings auch nicht zu erwarten. So werden sich die Preise für Prozessorchips wie gewohnt nach Generation und Stückzahl entwickeln.

Bei der Kommunikation über Systemgrenzen hinweg wird es so sein, dass 40 GbE den Scheideweg definiert: 10 GbE lässt sich problemlos und preiswert auf kürzeren Strecken auch mit metallischen Leitern übertragen. 40 GbE wird auf Kat. 7A-Kabeln mit entsprechenden Steckern auch möglich sein, ist aber an und für sich ein totes Gleis. Ab 100 GbE gehört die Welt mit Ausnahme von Ultra-Kurz-Strecken der rein optischen Übertragung.

Integrierte Optische Silicon Photonics Komponenten verhalten sich, wenn sie in entsprechenden Transceivern für standardisierte Lösungen eingebaut sind, nicht anders als diskrete Komponenten. Von daher bleiben alle bisher gemachten Aussagen hinsichtlich Verkabelung und Steckern weiterhin gültig. Mit einem guten OM-3-Kabel und z.B. SC-Steckern ist man zukunftssicher. Die OM-4-Faser mit erweitertem Frequenzbereich ist immer noch nicht in der gewünschten Breite verfügbar, wahrscheinlich aber auch nur in seltenen Fällen erforderlich. Insgesamt werden aber die Integrierten Optischen Komponenten Preissenkungen bei den aktiven Komponenten begünstigen.

Davon profitieren auch die Corporate Backbones. Hier wird heute die DWDM-Technik aus Kostengründen nur in seltenen Ausnahmefällen eingesetzt. Das wird sich mittelfristig ändern. Durch die Integration werden die entsprechenden Multiplexer und Demultiplexer sehr preiswert und mit etwas Verzögerung Einzug in die Oberklasse der Corporate Switches halten. Die Switches müssen natürlich leistungsfähig sein, also nicht blockierend 100 und demnächst 400 Gb-Verbindungen unterstützen und haben daher ihren Preis. Die Kosten für die benötigten Schnittstellenkarten werden jedoch sichtbar verfallen.

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