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A co-packaged optics platform combining resonantly assisted silicon photonics modulators with glass-molded micro-optics
2024
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-05-29
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-06062
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/988187/files/988187.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
glassmolding (frei) ; high speed (frei) ; interposer (frei) ; micro-optics (frei) ; modulators (frei) ; plasma dispersion (frei) ; resonantly assisted (frei) ; silicon photonics (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Die wachsende Nachfrage nach kosteneffizientem digitalen Datentransfer hat die optischen Transceiver-Technologien zu einer florierenden Multimilliarden-Dollar-Industrie werden lassen, insbesondere innerhalb der Intra-Data-Center-Verbindungen. Diese Nachfrage wird weiter angeheizt durch das wachsende Interesse an künstlicher Intelligenz, großen Sprachmodellen und anderen Anwendungen des maschinellen Lernens. Diese Anwendungen verlassen sich aufgrund des enormen Datenvolumens, das sie verarbeiten, oft auf Servercluster, die durch Glasfaser-Transceiver miteinander verbunden sind. Die Erfüllung der Anforderungen dieses bedeutenden Marktes erfordert die Entwicklung von groß angelegten integrierten Siliziumphotonik-Transceivern, die anspruchsvolle Spezifikationen erfüllen können, einschließlich 100 Gbaud pro Kanal und Wellenlänge. In diesem Zusammenhang betont diese Arbeit die Schlüsselrolle von stromsparenden, hochbandbreitigen Silizium-Elektrooptik-Modulatoren, die elektrische Signale in den optischen Bereich umwandeln. Diese Modulatoren beseitigen die Notwendigkeit einer aktiven Temperaturstabilisierung durch thermische Abstimmung, was zu einem reduzierten Energieverbrauch und einer höheren strukturellen Dichte führt, und somit den Energieverbrauch und die Kühlkosten senkt und somit den ökologischen Fußabdruck verringert. Dies ist besonders relevant vor dem Hintergrund des zunehmenden globalen Energieverbrauchs des Internets, der derzeit etwa 5% des Gesamtverbrauchs ausmacht mit steigender Tendenz. Diese Besorgnis wird durch die zunehmende Dringlichkeit der Klimakrise weiter verstärkt, was die Notwendigkeit nachhaltigerer Kommunikationsmethoden und eine Betonung der Energieeffizienz unterstreicht. Trotz dieser gewaltigen Herausforderungen tragen die laufenden Prozesse der Digitalisierung und Automatisierung zu einer Reduzierung der Gesamtauswirkungen auf die Umwelt im Vergleich zu veralteten Datenverarbeitungstechniken bei. Die Transition zur Digitalisierung, zur automatisierten Datenverarbeitung und zur Arbeit im Homeoffice, die durch Rechenzentren und das Internet ermöglicht wird, kann als wichtiger Schritt hin zu einer Welt betrachtet werden, die von erneuerbarer und verantwortungsbewusster Energieerzeugung angetrieben wird. Neben den Transducern werden Laser, die oft mit Energieineffizienz in optischen Verbindungen in Verbindung gebracht werden, individuell optimiert, ein Ziel, das durch den Einsatz disaggregierter Laserquellen erreichbar ist. Eine effiziente und skalierbare Kopplung dieser Quellen an Transducer ist unerlässlich. Um den mit diesen Herausforderungen verbundenen Komplexitäten zu begegnen, konzentriert sich diese Dissertation auf die Entwicklung von stromsparenden, kosteneffizienten und skalierbaren Kopplungslösungen. Diese Innovationen, in Kombination mit neuartigen Modulatoren, ermöglichen Co-Packaged Optiken, die speziell auf diese Anwendung zugeschnitten sind. Die Arbeit stellt eine neuartige Zwischenverbindungskonfiguration vor, die hauptsächlich in diesem Rahmen entwickelt wurde, und passt das Modulatorkonzept aus einem anderen Kommunikationsband an, und verbessert es in mehreren Dimensionen. Darüber hinaus führte diese Arbeit zur Entwicklung des Konzepts der subwelligen Tunnelbarriere, welche Metamaterialien nutzt, um Biegeverluste in Ringresonator-Modulatoren zu minimieren. Um einen photonisch integrierten Demonstrator zu ermöglichen, werden eine Vielzahl passiver Komponenten maßgeschneidert gestaltet, zusammen mit Dünnenfilmbeschichtungen für die Optiken zur Unterstützung polarisationsunempfindlicher oder multiplexer Anwendungen.The skyrocketing demand for cost-effective digital data transfer has driven optical transceiver technologies into a thriving multibillion-dollar industry, particularly for implementing intra-data center interconnects. This demand is further fueled by the growing interest in artificial intelligence, large language models, and other applications of machine learning. Due to the immense volume of data they handle, these applications often rely on server clusters, interconnected by fiber optic transceivers. Satisfying the requirements of this substantial market necessitates the development of large-scale integrated silicon photonics transceivers, capable of meeting strict specifications, including 100 Gbaud per fiber and wavelength. In this context, this thesis highlights the importance of power-efficient, high-bandwidth silicon electro-optic modulators, that convert electrical signals into the optical domain. The suggested modulators eliminate the need for active temperature stabilization through thermal tuning, resulting in reduced power consumption and enabling greater structural density, while simultaneously reducing energy usage and expenses for cooling, thereby reducing the environmental footprint. This is especially pertinent given the escalating global electric power consumption of the internet, currently accounting for approximately 5% of the total, with an anticipated upward trajectory. This concern is further magnified by the increasing urgency of the climate crisis, underscoring the need for more sustainable and energy efficient modes of communication. Despite these formidable challenges, the ongoing processes of digitization and automation contribute to a reduction in overall environmental impact compared to outdated data processing techniques. The transition toward digitalization, automated data processing, and remote work, facilitated by data centers and the internet, can be viewed as significant steps toward a world powered by renewable and responsible energy usage. In addition to transducers, lasers, often associated with energy inefficiency in optical links, can be optimized individually, a goal made achievable through the use of disaggregated laser sources. Efficient and scalable coupling of these sources to transducers is imperative. To address the complexities inherent in these challenges, this thesis additionally studies the development of power-efficient, cost-effective, and scalable coupling solutions. These innovations, combined with novel modulators, enable co-packaged optics, tailored specifically to the application for intra-data center interconnects. This thesis introduces a novel interposer configuration, primarily conceived within this work, and adapts the resonantly enhanced but broadband modulator concept from a different communication band, enhancing it across multiple performance dimensions. Furthermore, this work has resulted in the inception of the sub-wavelength tunneling barrier structure, leveraging metamaterials to mitigate bending losses in rib ring resonator modulators. To enable a photonic integrated demonstrator, an array of passive components is custom-designed, along with thin-film coatings for the coupling solution to also support polarization-insensitive or multiplexed applications.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030790534
Interne Identnummern
RWTH-2024-06062
Datensatz-ID: 988187
Beteiligte Länder
Germany
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