'S Werelds snelste optische chip

In zijn laboratorium in Sunnyvale, Californië, houdt David Welch, medeoprichter van telecomstartup Infinera, een stijve strook van twee centimeter breed met vier goudkleurige rechthoeken met patronen omhoog. Het is gemaakt van indiumfosfide, een halfgeleider die wordt gewaardeerd om zijn optische eigenschappen. Het eenvoudige uiterlijk van de chip logenstraft zijn complexe techniek en geeft weinig hint dat het de sleutel zou kunnen zijn om goedkoop de bandbreedte te leveren die wordt gevraagd door een YouTube-verslaafde wereld.

Hier worden veertien fotonische geïntegreerde schakelingen van 100 gigabit in een plastic drager getoond voor prestatietests.

De gadget wordt een fotonisch geïntegreerd circuit genoemd en vertegenwoordigt een belangrijke praktische vooruitgang in optische gegevensoverdracht. Sinds het begin van de jaren negentig is een dergelijke transmissie steeds meer afhankelijk geworden van een techniek die golflengteverdelingsmultiplexing (WDM) wordt genoemd. Met WDM worden gegevens gecodeerd op maar liefst 80 laserstralen, elk met een verschillende golflengte. Die stralen worden vervolgens gecombineerd voor een trip door een optische vezel die dunner is dan een mensenhaar. Bij een knooppunt aan het andere uiteinde van de vezel worden de bundels gesplitst in hun samenstellende golflengten en wordt de informatie omgezet in de elektrische signalen die onze computers bereiken.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2007

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

De optische apparatuur die nodig is om dit alles te doen, omvat lasers die licht sturen, multiplexers die het opsplitsen of opnieuw combineren, modulatoren die het coderen met gegevens en detectoren die het ontvangen. Traditioneel werden deze apparaten gehuisvest in hun eigen kleine verpakkingen, elk ongeveer zo groot als een pakje kauwgom, en combinaties ervan waren omvangrijk, duur en soms onbetrouwbaar. Infinera – opgericht in 2001 door ervaren leidinggevenden en technologen van leiders in optische telecommunicatie zoals Ciena en JDS Uniphase – wilde tientallen van dergelijke componenten op een chip plaatsen, zoals elektrotechnici transistors combineren in een elektronisch geïntegreerd circuit. Wat niemand had geprobeerd te doen, was in wezen een heel WDM-systeem op een paar chips zetten [een om te verzenden, de andere om te ontvangen], en niemand had geprobeerd het commercieel te vervaardigen, zegt Welch. Infinera probeerde niet alleen beide te doen, maar slaagde erin.

In 2004 introduceerde het bedrijf de eerste grootschalige fotonische geïntegreerde schakeling: een chip met 50 optische componenten op nanoschaal in patronen in het oppervlak. Eerder waren andere fabrikanten van optische chips erin geslaagd om slechts een paar van dergelijke apparaten op een enkele chip te integreren. Het eerste Infinera-apparaat kon 100 gigabit aan informatie per seconde verzenden of ontvangen. Nu heeft het bedrijf een 400-gigabit-chip gedemonstreerd en is het goed op weg met de ontwikkeling van wat het beschrijft als de snelste optische chip ter wereld: een 1.6-terabit-versie die het binnen enkele jaren verwacht te commercialiseren. De vier gouden patches op de chip in Welch's hand bevatten een verbazingwekkend totaal van 240 optische componenten met patronen.

Multimedia

• Een demo van hoe Infinera ultrasnelle optische netwerken maakt

Natuurlijk, ondanks de theoretische voordelen van een volledig optisch internet, is geen enkel netwerk volledig gebaseerd op optica. Apparatuur op netwerkknooppunten zet optische signalen om in elektrische signalen, zodat ze ze kunnen opruimen en versterken, of ze naar een computer kunnen sturen. De technologie van Infinera doet dit ook, waarbij sommige taken worden doorgegeven aan microprocessors op een printplaat die ze vervolgens terug zullen overbrengen.

Maar de fotonische geïntegreerde schakeling verminderde de kosten en complexiteit van het conversieproces. Dit voordeel stelde Infinera op zijn beurt in staat om een ​​nieuwe netwerkarchitectuur te promoten, in wezen een met meer netwerkknooppunten. Andere bedrijven hadden geprobeerd de kosten laag te houden door het aantal nodes te verminderen met hun traditioneel omvangrijke optische apparaten.

Het hebben van meer nodes betekent meer flexibiliteit om toegangspunten toe te voegen en eenvoudiger onderhoud en foutdetectie. Het maakt het dus gemakkelijker om de voordelen van optica en elektronica te combineren. En het Infinera-pakket - chips en printplaten - neemt een vijfde van de ruimte in beslag van conventionele technologie.

Eind vorig jaar begon het Internet2-consortium - een groep van meer dan 300 onderzoekscentra van de Amerikaanse overheid, universiteiten en bedrijven die een hoge bandbreedte nodig hebben om alles te delen, van gegevens over deeltjesfysica tot medische beelden - met de implementatie van een nieuw optisch netwerk dat gebruikmaakt van de systemen van Infinera. De technologie van Infinera is uniek, zegt Steve Cotter, directeur netwerkdiensten bij Internet2. In plaats van te proberen optisch-elektrische overgangen te vermijden, maakten ze ze kosteneffectief.

Fotonische fabricage

Het maken van de Infinera-chips is geen eenvoudige taak. Optische apparaten zijn driedimensionale structuren die veel moeilijker te vervaardigen zijn dan tweedimensionale siliciumtransistors. Om de lasers, detectoren, modulatoren en andere componenten van de voltooide chip te maken, moeten herhaaldelijk vele dunne lagen van verschillende materialen, zoals indiumgalliumarsenide en indiumfosfide, worden afgezet en weggeëtst.

Het proces van Infinera begint met een wafeltje indiumfosfide. De wafel beweegt langs een lopende band, waar hij wordt gecoat met een stroperige chemische stof die fotoresist wordt genoemd. Ultraviolet licht schijnt door een masker met stencilachtige ontwerpen en bestraalt de fotoresist, waardoor op effectieve wijze ingewikkelde patronen worden ontwikkeld waardoor een deel van de halfgeleidermaterialen op de wafel kan blijven en een deel kan worden weggeëtst.

Op een hoog niveau is het hetzelfde als de fotolithografie die bedrijven als Intel gebruiken om siliciummicroprocessors voor je pc te maken. Maar er is een belangrijk verschil. In een Intel-chip is het allemaal silicium. In de optica gebruik je verschillende halfgeleiders met verschillende functies, zegt Welch. En de indiumfosfidewafels ondergaan veel meer afzettings- en etsrondes dan siliciumwafels. Infinera houdt de lippen stijf op elkaar over de details van het productieproces, dat is ontworpen met de hulp van ingenieurs die ervaring hebben met taken als het vervaardigen van siliciummicrochips en massaproductie van lichtgevende diodes. Welch zegt dat het bedrijf exclusieve patenten heeft op belangrijke aspecten van de technologie voor het plaatsen van grote aantallen apparaten op indiumfosfidewafels.

De 1,6-terabit-chip verschilt grotendeels van de 100-gigabit-versie in het aantal apparaten dat erop is gemodelleerd. Elke 100 gigabit-chip bevat onder meer 10 lasers, 10 detectoren, 10 modulatoren (die gegevens coderen door licht aan en uit te schakelen) en 10 golfgeleiders die fotonen naar een multiplexer sturen. De 240 componenten van de 1,6-terabit-chip omvatten 40 lasers, 40 detectoren, 40 modulatoren en 40 kanalen. En elke modulator codeert gegevens vier keer zo snel.

Nadat de wafels van de lijn komen, worden ze in chips gesneden - enkele honderden. Ten slotte worden de chips getest op mogelijke storingen, gecombineerd met elektronische chips die door Infinera zijn gebouwd op een apparaat dat een lijnkaart wordt genoemd, en geïnstalleerd in optische netwerkeenheden voor verzending.

De vraag naar internetvideo- en spraakdiensten explodeert en dreigt de typische breedbandverbinding, die tussen de één en zes megabit per seconde uitzendt, te overweldigen. We denken allemaal dat mensen 25, 50 of 100 megabits nodig hebben, zegt Welch. Om aan die vraag te voldoen, zullen internetbedrijven meer apparatuur moeten inpakken in de toch al overvolle schakelstations. Nu het internetverkeer met 60 tot 100 procent per jaar groeit, kun je niet doorgaan met het installeren van koelkasten in de kelder, zegt Welch. Fotonische integratie wordt de technologie waarmee internet kan groeien.

zich verstoppen