Neuer Ansatz für optische Transceiver

Silizium-Photonik für günstigere Fertigung

18. Juni 2019, 11:32 Uhr | Manne Kreuzer

Juniper Networks verfolgt mit seiner Silizium-Photonik-Technologie einen neuen Ansatz in der Optikfertigung, der Design, Wafer-Produktion, Packaging, Testinfrastruktur und Methoden aus dem Elektronik-Ökosystem nutzt – und so kostengünstigere Netzwerkprodukte liefert.

Zur Kostenreduzierung für die Entwicklung und Produktion optischer Transceiver verließ sich die Industrie auf traditionelle Skalenvorteile, um das Volumen der Lieferketten rein optischer Unterbaugruppen zu steigern. Dies steht im Gegensatz zur Silizium-Lieferkette der allgemeinen Elektronik, die von einer automatisierten Wafer-Herstellung, gemeinsamen Designmethoden, Packaging-Ansätzen und Testinfrastrukturen profitiert, um entsprechende Skalenvorteile für Computer- und Netzwerkgeräte zu erzielen. Die Optische-Transceiver-Industrie ist im Vergleich dazu eine Handwerksindustrie, die auf einer Vielzahl unterschiedlicher Entwicklungsmethoden, der Herstellung von Captive-Wafern, proprietärem Packaging und einer arbeitsintensiven Produktion basiert. Diese Voraussetzungen limitieren die Skalenvorteile. Um die gleichen Vorteile wie die elektronische Lieferkette aus Silizium zu genießen, benötigt die Optische-Transceiver-Industrie einen neuen Fertigungsansatz. Dieser muss sowohl hinsichtlich der Kosten als auch der Leistung entsprechend dem Rest der Netzwerkindustrie skalieren.

Seit zwei Jahrzehnten fokussiert Juniper Networks seine technischen Fähigkeiten darauf, Routing-, Switching- und Sicherheitslösungen anzubieten, die einem grundlegenden Prinzip folgen: die Kosten pro Bit in aufeinanderfolgenden Produktgenerationen zu reduzieren. Die sie verbindende Optik verließ sich auf externe Marktkräfte, um die Cost per Bit zu reduzieren. Juniper wollte daher einen Weg finden, um derzeit bekannte optische Komponententechnologien wesentlich zu verbessern, und sieht Silizium-Photonik als ist eine bahnbrechende Technologie an, die die Designmethoden und die bekannte Waferfertigung für Silizium nutzt, um Skaleneffekte auch für optische Komponenten zu erzielen. Die Weiterentwicklung bei Junipers Ansatz besteht darin, dass alle photonischen Elemente eines optischen Senders/Empfängers – vor allem der Laser und der Detektoren – in einem einzigen Silizium-Photonik-Chip integriert sind. Dies wird durch die Integration von Indiumphosphidmaterialien im Siliziumprozess direkt auf dem Silizium-Wafer erreicht. So lässt sich die grundlegende Schwäche vieler Silizium-Photonik-Technologien beheben: Licht auf dem Chip zu verstärken oder zu erzeugen.

Die Möglichkeit, alle optischen Komponenten in einen einzigen Siliziumchip zu integrieren, verändert und vereinfacht vor allem Test und Montage optischer Transceiver. Dies reduziert auch die Kosten drastisch. Junipers Silizium-Photonik-Plattform unterscheidet sie von anderen Technologien dieser Art in drei Punkten:

Die integrierte Silizium-Photonik verfügt auf dem Chip über einen optischen Loopback-Schalter, um so den Sender direkt mit dem Empfänger zu verbinden – dies erlaubt den Test der gesamten optischen Schaltung während des Herstellungsprozesses mithilfe von Standard-Elektronik-Wafer-Level-Testgeräten. Die Durchführung dieser Tests vor der Endmontage verbessert die Ausbeute, indem sie früh gute Chips ohne späte Testabbrüche identifiziert. Der native optische Loopback-Switch trägt nicht nur zur Verbesserung der Produktionserträge bei, sondern lässt sich auch zur Durchführung von In-Service-Diagnosen nutzen. Damit erhält der Anwender ein weiteres Werkzeug zur Remote-Fehlerbehebung bei Netzwerkproblemen.
Auf der „Opto-ASIC“-Transceiver-Package-Ebene wird die Silizium-Photonik von Juniper zusammen mit anderen elektronischen ASICs Flip-Chip-gebunden – und bildet damit einen Transceiver auf einem einzigen, kostengünstigen Ball-Grid-Array-Substrat. Damit lassen sich die Transceiver flexibel platzieren. Das Transceiver-Gehäuse verwendet Standard-BGA-Gehäusegrößen und ausgereifte Silizium-Testmethoden, die sich leicht an bestehende Silizium-Herstellungsprozesse anpassen lässt. Gleichzeitig erfüllen sie auch bei hohen Volumina das strenge Ertragsniveau – und reduzieren so die Gesamtkosten für die Markteinführung von Silizium-Photonik-Optiken.
Auf Modulebene ermöglicht der Einsatz eines voll integrierten Silizium-Photonik-Plattform-Transceivers ein vereinfachtes Leiterplattendesign. Dieses muss nur das flächenmontierte Transceiver-Gehäuse und den DC-DC-Spannungswandler integrieren. Durch einen abnehmbaren Stecker wird die Glasfaserverbindung zum Transceiver-Gehäuse erleichtert. Die resultierende Modularchitektur ist einfach zu montieren und ein weiteres Beispiel für ein einfaches Engineering zur weiteren Kostenreduzierung (Bild).

Die Silizium-Photonik-Technologie von Juniper nutzt die bestehende Expertise für Systemintegration. Dadurch kann das Packaging der Silizium-Photonik-Plattform in einem optisch steckbaren Transceiver-Modul alle standardbasierten Spezifikationen erfüllen. Diese zusätzliche Stufe der Compliance-Prüfung gewährleistet, dass die Transceiver-Module konform und komplett kompatibel mit den Netzwerkgeräten der gängigen Hersteller sind. Dazu gehören nicht nur heutige Geräte, sondern auch zukünftige Entwicklungen.

Mit der Einführung neuer Anwendungen wie 5G, 8K-Video und AR/VR erreichen die Bandbreitenanforderungen pro Router oder Switch einen Punkt, an dem Netzwerkanbieter gezwungen sind, die Architektur dieser Netzwerkelemente zu überarbeiten. Der voll integrierte „Opto-ASIC“-Transceiver integriert elektronische und photonische Chips in einem kostengünstigen Gehäuse. Damit lässt er sich in bestehende Modul-Formfaktoren (QSFP, QSFP-DD, OSFP, COBO, etc.) packen. Während die Verarbeitungsmöglichkeiten von Netzwerk-Prozessorchips exponentiell ansteigen, wird die Fähigkeit, so viel Bandbreite in und aus den Netzwerkprozessoren elektrisch zu transportieren, durch Shannons Gesetz limitiert. Für Juniper wird es daher einen Wendepunkt geben: Um den Durchsatz der Netzwerkprozessoren weiter zu erhöhen, muss die Photonik im gleichen Gehäuse integriert sein wie der Netzwerkprozessor.

Auch in zukünftige Paketverarbeitungs-Chips könnte die Silizium-Photonik-Technologie integriert werden. In Kombination mit Penta Silicon und Triton Silicon würde dies eine völlig neue Skalierungsleistung auf Linecard- und Systemebene bieten und 1 Pbit/s Übertragungskapazität für das gesamte System ermöglichen. Für Juniper hat die Silizium-Photonik-Technologie im Zusammenspiel mit Netzwerkprozessoren die Grenze von Kapazität und Leistung auf Systemebene noch längst nicht erreicht – und darüber hinaus auch nicht die Möglichkeiten zur Reduzierung des Energieverbrauchs.