Verdens hurtigste optiske chip

I sit laboratorium i Sunnyvale, Californien, holder David Welch, medstifter af telecom-startup Infinera, en stiv to centimeter bred strimmel op med fire mønstrede, guldfarvede rektangler. Den er lavet af indiumphosphid, en halvleder værdsat for sine optiske egenskaber. Chippens enkle udseende modsiger dens komplekse konstruktion og giver en lille antydning om, at den kunne være nøglen til billigt at levere den båndbredde, som en YouTube-afhængig verden efterspørger.

Vist her er fjorten 100-gigabit fotoniske integrerede kredsløb, der sidder i en plastholder til ydelsestest.

Gadgetten kaldes et fotonisk integreret kredsløb, og det repræsenterer et vigtigt praktisk fremskridt inden for optisk datatransmission. Siden begyndelsen af ​​1990'erne har en sådan transmission i stigende grad været afhængig af en teknik kaldet bølgelængdedelingsmultipleksing (WDM). Med WDM er data kodet på hele 80 laserstråler, der hver har en forskellig bølgelængde. Disse stråler kombineres derefter til en tur ned ad en optisk fiber, der er tyndere end et menneskehår. I en knude på den anden ende af fiberen opdeles strålerne i deres konstituerende bølgelængder, og informationen omdannes til de elektriske signaler, der når vores computere.

Denne historie var en del af vores januar 2007-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Det optiske udstyr, der kræves til at gøre alt dette, inkluderer lasere, der sender lys, multipleksere, der deler det op eller rekombinerer det, modulatorer, der koder det med data, og detektorer, der modtager det. Traditionelt har disse enheder været anbragt i deres egne små pakker, hver på størrelse med en tyggegummipakke, og kombinationer af dem var omfangsrige, dyre og nogle gange upålidelige. Infinera – grundlagt i 2001 af veteranledere og teknologer fra ledere af optisk telekommunikation som Ciena og JDS Uniphase – satte sig for at sætte snesevis af sådanne komponenter på en chip, sådan som elektriske ingeniører kombinerer transistorer i et elektronisk integreret kredsløb. Hvad ingen havde forsøgt at gøre, var i det væsentlige at sætte et helt WDM-system på et par chips [den ene til at sende, den anden til at modtage], og ingen havde forsøgt at fremstille det kommercielt, siger Welch. Infinera forsøgte ikke kun at gøre begge dele, men det lykkedes.

I 2004 introducerede virksomheden det første fotoniske integrerede kredsløb i stor skala - en chip med 50 optiske komponenter i nanoskala mønstret i overfladen. Tidligere havde andre producenter af optiske chip kun formået at integrere nogle få sådanne enheder på en enkelt chip. Den første Infinera-enhed var i stand til at sende eller modtage 100 gigabit information i sekundet. Nu har virksomheden demonstreret en 400-gigabit-chip og er godt med i udviklingen af, hvad den beskriver som den hurtigste optiske chip i verden – en 1,6-terabit-version, som den forventer at kommercialisere inden for flere år. De fire guldlapper på chippen i Welchs hånd indeholder en forbløffende total af 240 mønstrede optiske komponenter.

Multimedier

• En demo af, hvordan Infinera laver ultrahurtige optiske netværk

På trods af de teoretiske fordele ved et helt optisk internet er intet netværk naturligvis udelukkende baseret på optik. Udstyr ved netværksknuder konverterer optiske signaler til elektriske, så det kan rense dem og forstærke dem eller levere dem til en computer. Infineras teknologi gør dette også, idet nogle opgaver videregives til mikroprocessorer på et printkort, som derefter overfører dem tilbage.

Men det fotoniske integrerede kredsløb reducerede omkostningerne og kompleksiteten af ​​konverteringsprocessen. Denne fordel gav til gengæld Infinera mulighed for at promovere en ny netværksarkitektur – i det væsentlige en med flere netværksknuder. Andre virksomheder havde forsøgt at holde omkostningerne nede ved at reducere antallet af noder med deres traditionelt omfangsrige optiske enheder.

At have flere noder betyder mere fleksibilitet til at tilføje adgangspunkter og lettere vedligeholdelse og fejldetektion. Det gør det dermed nemmere at kombinere fordelene ved optik og elektronik. Og Infinera-pakken – chips og printkort – fylder en femtedel af konventionel teknologi.

I slutningen af ​​sidste år begyndte Internet2-konsortiet – en gruppe af mere end 300 amerikanske regerings-, universitets- og virksomhedsforskningscentre, der har brug for høj båndbredde til at dele alt fra partikelfysikdata til medicinske billeder – at implementere et nyt optisk netværk, der bruger Infineras systemer. Infineras teknologi er unik, siger Steve Cotter, direktør for netværkstjenester hos Internet2. I stedet for at forsøge at undgå optisk-elektriske overgange, gjorde de dem omkostningseffektive.

Fotonisk fremstilling

At lave Infinera-chips er ingen nem opgave. Optiske enheder er tredimensionelle strukturer, langt mere udfordrende at fremstille end todimensionelle siliciumtransistorer. Fremstilling af lasere, detektorer, modulatorer og andre komponenter i den færdige chip kræver gentagne gange at deponere og ætse mange tynde lag af forskellige materialer, såsom indiumgalliumarsenid og indiumphosphid.

Infineras proces starter med en wafer af indiumphosphid. Waferen bevæger sig langs et samlebånd, hvor den er belagt med et sirupsagtigt kemikalie kaldet fotoresist. Ultraviolet lys skinner gennem en maske med stencil-lignende design og bestråler fotoresisten og udvikler effektivt indviklede mønstre, der tillader noget halvledermateriale at blive på waferen og noget at blive ætset væk.

På et højt niveau er det det samme som den fotolitografi, som virksomheder som Intel bruger til at lave siliciummikroprocessorer til din pc. Men der er en vigtig forskel. I en Intel-chip er det hele silicium. I optik bruger man forskellige halvledere med forskellige funktioner, siger Welch. Og indium phosphid wafers gennemgår mange flere runder af aflejring og ætsning, end silicium wafers gør. Infinera er fåmælt med hensyn til detaljerne i sin fremstillingsproces, som blev designet med hjælp fra ingeniører med erfaring i sådanne opgaver som fremstilling af siliciummikrochips og masseproduktion af lysemitterende dioder. Welch siger, at virksomheden har eksklusive patenter på nøgleaspekter af teknologien til at placere et stort antal enheder på indiumphosphid-wafers.

1,6-terabit-chippen adskiller sig stort set fra 100-gigabit-versionen i antallet af enheder, der er mønstret på den. Hver 100-gigabit-chip indeholder blandt andre komponenter 10 lasere, 10 detektorer, 10 modulatorer (som koder data ved at tænde og slukke lyset) og 10 bølgeledere, der leder fotoner ind i en multiplekser. 1,6-terabit chippens 240 komponenter inkluderer 40 lasere, 40 detektorer, 40 modulatorer og 40 kanaler. Og hver modulator koder data fire gange så hurtigt.

Efter at vaflerne er kommet af linjen, skæres de i chips - flere hundrede af dem. Endelig testes chipsene for potentielle fejlfunktioner, kombineret med elektroniske chips bygget af Infinera på en enhed kaldet et linjekort og installeret i optiske netværksenheder til forsendelse.

Efterspørgslen efter internetvideo- og taletjenester eksploderer og truer med at overvælde den typiske bredbåndsforbindelse, som transmitterer mellem en og seks megabit i sekundet. Vi tænker alle, at folk har brug for 25, 50 eller 100 megabit, siger Welch. For at imødekomme denne efterspørgsel bliver internetvirksomheder nødt til at pakke mere udstyr ind i allerede overfyldte omstillingsstationer. Med internettrafik, der vokser med 60 til 100 procent om året, kan du ikke blive ved med at installere stativer i køleskabsstørrelse i kælderen, siger Welch. Fotonisk integration bliver den teknologi, der sætter internettet i stand til at vokse.

skjule