Photonic integration enabling new multiplexing concepts in optical board-to-board and rack-to-rack interconnects

New broadband applications are causing the datacenters to proliferate, raising the bar for higher interconnection speeds. So far, optical board-to-board and rack-to-rack interconnects relied primarily on low-cost commodity optical components assembled in a single package. Although this concept proved successful in the first generations of optical-interconnect modules, scalability is a daunting issue as signaling rates extend beyond 25 Gb/s. In this paper we present our work towards the development of two technology platforms for migration beyond Infiniband enhanced data rate (EDR), introducing new concepts in board-to-board and rack-to-rack interconnects. The first platform is developed in the framework of MIRAGE European project and relies on proven VCSEL technology, exploiting the inherent cost, yield, reliability and power consumption advantages of VCSELs. Wavelength multiplexing, PAM-4 modulation and multi-core fiber (MCF) multiplexing are introduced by combining VCSELs with integrated Si and glass photonics as well as BiCMOS electronics. An in-plane MCF-to-SOI interface is demonstrated, allowing coupling from the MCF cores to 340x400 nm Si waveguides. Development of a low-power VCSEL driver with integrated feed-forward equalizer is reported, allowing PAM-4 modulation of a bandwidth-limited VCSEL beyond 25 Gbaud. The second platform, developed within the frames of the European project PHOXTROT, considers the use of modulation formats of increased complexity in the context of optical interconnects. Powered by the evolution of DSP technology and towards an integration path between inter and intra datacenter traffic, this platform investigates optical interconnection system concepts capable to support 16QAM 40GBd data traffic, exploiting the advancements of silicon and polymer technologies

High speed direct modulation of a heterogeneously integrated InP/SOI DFB laser

An integrated laser source to a silicon photonics circuit is an important requirement for optical interconnects. We present direct modulation of a heterogeneously integrated distributed feedback laser on and coupled to a silicon waveguide. We demonstrate a 28 Gb/s pseudo-random bit sequence non-return-to-zero data transmission over 2 km non-zero dispersion shifted fiber with a 1-dB power penalty. Additionally, we show 40-Gb/s duobinary modulation generated using the bandwidth limitation of the laser for both back-to-back and fiber transmission configurations. Furthermore, we investigate the device performance for the pulse amplitude modulation (PAM-4) at 20 GBd for high-speed short-reach applications

Theory review of Mode-Locked Lasers and experimental presentation in a 160Gb/s Otdm system

115 σ.Η παρούσα διπλωματική εργασία περιέχει την παρουσίαση των φυσικών αρχών που διέπουν τη λειτουργία των Mode Locked Lasers (MLL). Στο πρώτο κεφάλαιο εισάγονται οι βασικές αρχές που επιτρέπουν τη λειτουργία μιας κοιλότητας (cavity) η οποία περιέχει ένα ενεργό μέσο (gain medium) δίνοντας στην έξοδο της ένα ενισχυμένο οπτικό σήμα μέσα από το μηχανισμό της εξαναγκασμένης εκπομπής (stimulated emission). Η βασική ιδέα που παρουσιάζεται είναι το πώς καταφέρνουμε από τους υποστηριζόμενους ρυθμούς της κοιλότητας (αρμονικές ταλαντώσεις) να καταφέρουμε μέσω ενός κλειδώματος της φάσης τους να διαπιστώσουμε από την υπέρθεση τους ένα αποτέλεσμα πολύ στενών οπτικών παλμών στο πεδίο του χρόνου. Η εγκλείδωση ρυθμών που είναι και η αρχή λειτουργίας του MLL μπορεί να επιτευχθεί με αρκετές τεχνικές, τις οποίες συνοπτικά παρουσιάζουμε μέσα από τη χρήση βιβλιογραφικών αναφορών. Συγκεκριμένα παρουσιάζεται η τεχνική του passive mode-locking που βασίζεται στη χρήση ενός κορέσιμου απορροφητή (saturable absorber) στη διάταξη της κοιλότητας και του active mode-locking που βασίζεται στη διαμόρφωση - κλείδωμα της φάσης των αρμονικών που ενισχύονται μέσα στην κοιλότητα κάνοντας χρήση ενός ηλεκτρικού σήματος (RF) στη συχνότητα που επιθυμούμε να ορίσουμε το ρυθμό επαναληψιμότητας (repetition rate) του MLL. Τα φωτονικά δίκτυα έρχονται να δώσουν λύση στην αύξηση της χωρητικότητας των τηλεπικοινωνιακών δικτύων δίνοντας μας τη δυνατότητα να εκμεταλλευτούμε ένα μέσο (οπτική ίνα) η οποία έχει ασύγκριτα μεγαλύτερο bandwidth συγκριτικά με τα εργαλεία του ηλεκτρονικού κόσμου. Στη βάση αυτή παρουσιάζουμε μια από τις πιο βασικές εφαρμογές των MLL στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Συγκεκριμένα, το πώς η έξοδος του MLL μπορεί να αποτελέσει το «όχημα» - φέρον πάνω στο οποίο μπορεί μεταφέρεται η ψηφιακή πληροφορία. Σε όλα τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα (ασύρματα, μικρο-κυματικά, φωτονικά) η τεχνική της πολυπλεξίας είναι αυτή που επιτρέπει να αυξήσουμε τη χωρητικότητα του διαύλου μας. Εκμεταλλευόμενοι τις ιδιότητες εκπομπής των MLL που έχουν δυνατότητα να παράγουν παλμο-σειρές που περιέχουν στενούς οπτικούς παλμούς η τεχνική της οπτικής πολυπλεξίας στο χρόνο (OTDM) είναι αυτή που παρουσιάζεται στο επόμενο κεφάλαιο παράλληλα με τις βασικές διατάξεις που χρησιμοποιούμε για τον πομπό και το δέκτη σε μια τέτοια ζέυξη. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζεται ένα πείραμα το οποίο στήθηκε στο Εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών (ΕΦΕ) και σκοπό είχε να αξιολογήσει την κατασκευή στον πομπό (Transmitter) ενός σήματος στα 160Gbps με τη μέθοδο της χρονικής πολυπλεξίας αλλά και τη μελέτη της επιβάρυνσης του μέσα από τη διάδοση του από έναν κυματοδηγό. Σκοπός του πειράματος αυτού ήταν να παρουσιαστούν όλα τα βασικά συστατικά που απαιτούνται για τη δημιουργία ενός υπερ-υψηλού ρυθμού μετάδοσης σήματος στον πομπό το οποίο δίνοντας έμφαση στη χρήση ενός MLL με repetition rate στα 10GHz παράλληλα με τη χρήση ενός οπτικού πολυπλέκτη (OMUX) μέσω του οποίου μπορώ να καταφέρω να αποκτήσω στην έξοδο του συστήματος του πομπού ένα οπτικό φέρον το οποίο έχει διαμορφωθεί – μεταφέρει πληροφορία (data) στα 160Gbps. Στην πλευρά του δέκτη (receiver) παρουσιάζονται οι τεχνικές από-πολυπλεξίας για να υποβιβάσω το σήμα των 160Gbps στοn αρχικό ρυθμό των 10Gbps. Αρχικά η από-πολυπλεξία από τα 160Gbps στα 40Gbps με χρήση ενός οπτικού συμβολόμετρου Sagnac και στη συνέχεια στο δεύτερο στάδιο από τα 40Gbps στα 10Gbps με χρήση ενός EAM (Electro Absorption Modulator). Τέλος επειδή βασικό στοιχείο στην απόδοση ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος εκτός από τη χωρητικότητα του αποτελεί και η υποβάθμιση που εισάγει στη μεταδιδόμενη πληροφορία παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που σχετίζονται με τη σύγκριση της ποιότητας του οπτικού σήματος στα 160Gbps σε διαφορετικά σημεία του συστήματος με χρήση εργαλείων όπως φάσματα του σήματος στον OSA (optical spectrum analyzer), διαγράμματα οφθαλμού (eye diagrams) στον παλμογράφο αλλά και η ποσοτικοποίηση της υποβάθμισης μέσα από τις καμπύλες των μετρήσεων για το ρυθμό σφαλμάτων (BER measurements).This diploma thesis aims at the study and the presentation of the physical principles that are adopted to the operation of Mode-Locked Lasers (MLL). In the first chapter there is an introduction which comprises information about basic principles that allow the operation of a cavity that contains a gain medium and gives an amplified optical signal in the output through the mechanism of the stimulated emission. The main scenario that has to be explored is the achievement of very narrow optical pulses in time domain, via phase locking the existing cavity modes. The mode-locking can be attained with multiple techniques that are briefly presented through the use of scientific references. More specifically, it is presented the technique of passive mode-locking that is based on the use of a saturable absorber in the cavity and also the technique of active mode-locking that relies on the modulation-locking of the phase of the harmonic frequencies that are amplified in the cavity using an electric signal (RF) in the frequency that we want to assess the repetition rate of the MLL. Future photonic networks are a solution to increase the capacity of telecommunication systems and allow us to take advantage of the benefits that optical fibers offer, such as the enormous bandwidth. In this perspective, one of the most basic applications of MLL in telecommunication systems is described in this thesis. This application is the ability of MLLs to be the carrier waves onto which digital information is transported. In telecommunication network systems (wireless, photonic), multiplexing technique is the one that allows the increase the capacity of our channels. Given the opportunity that MLL offer by producing very narrow pulses, the technique of optical time division multiplexing is presented in the next chapter additionally with the basic formations used for the transmitter and the receiver. In the last chapter it is described an experiment which took place in the Photonics Communications Research Laboratory (PCRL) and its goal is the evaluation of the construction, from the side of the transmitter, of a 160Gbps signal exploiting the technique of optical time division multiplexing. Besides, the possibility of losses that are charged in the signal due to its pass through a “black box” link, was investigated. The purpose of the experiment was to present all the basic components that are crucial for producing an ultra-high mode of transmitting the signal using an MLL with 10GHz repetition rate and an optical multiplexer (OMUX) through which is possible to have an optical carrier that transmits data in 160Gbps at the output of our transmitter. At the side of the receiver, it is described the techniques of demultiplexing the signal from the rate of 160Gbps to the rate of 40Gbps using an optical interferometer Sagnac and afterwards in a second level the demultiplexing from 40Gbps to 10Gbps using an Electro-Absorption Modulator (EAM). Finally, and due to the fact that the degradation induced in a transmitted signal by the telecommunication system is a fundamental issue for the evaluation of a system, experimental results are presented which allow us to compare the quality of the optical signal in 160Gbps in different stages of the experimental procedure. For this purpose, multiple merits are used such as signal spectrums taken from an optical spectrum analyzer, eye diagrams from the oscilloscope and Bit Error Rate measurements.Γιάννης Κ. Κανάκη

High-Speed VCSEL-Based Transceiver for 200 GbE Short-Reach Intra-Datacenter Optical Interconnects

The soaring demand for higher speeds in datacenters to address the relentless growth of the global IP traffic places optical interconnects in the spotlight. In this manuscript, we present a high-speed optical transceiver for intra-datacenter connectivity. The transceiver is based on single-mode, single-polarization high-speed vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs), a VCSEL driver chip, and a linear receiver. Following a step-by-step approach, we present the architectures, assembly processes, and experimental results from the different modules. More specifically, we demonstrate (1) a data transmission experiment at 80 Gb/s using PAM-4 (four-level Pulse Amplitude Modulation) modulation for a reach of up to 500 m by employing a single-mode VCSEL module, and (2) a full-link experiment proving up to 64 Gb/s per lane capacity using PAM-4 signaling of the VCSEL-based optical transceiver test vehicles in back-to-back configuration and up to 56 Gb/s for 500 m and 2 km transmission distances. The acquired experimental results verify the suitability of the optical transceiver for intra-datacenter interconnects’ applications

A 56 Gbaud Reconfigurable FPGA Feed-Forward Equalizer for Optical Datacenter Networks with flexible Baudrate- and Modulation-Format

The staggering growth of datacenter traffic has spurred the rapid uptake of advanced modulation-formats to increase throughput. Commodity optoelectronic components are used for cost-efficiency, assisted with digital equalizers to mitigate their bandwidth limitations. With optically-switched datacenter architectures gaining momentum, reconfigurable equalizers are sought allowing the receiver to adapt to different fiber lengths, bitrates and modulation-formats associated to different optical paths. An FPGA-based feed-forward equalizer (FFE) reconfigurable in baudrate and modulation-format is demonstrated. We verify its performance with NRZ and PAM-4 experimental data up to 56 GBaud, investigate its accuracy and extract the optimum FFE implementation for different transmission scenarios

On the Fly All-Optical Packet Switching Using Hybrid WDM/OCDMA Labeling

International audience<p>We introduce a novel design of an all-optical packet routing node that allows for the selection and forwarding of optical packets based on the routing information contained in hybrid wavelength division multiplexing/optical code division multiple access (WDM/OCDMA) labels. A stripping paradigm of optical code-label is adopted. The router is built around an optical-code gate that consists in an optical flip–flop controlled by two fiber Bragg grating correlators and is combined with a Mach–Zehnder interferometer (MZI)-based forwarding gate. We experimentally verify the proof-of-principle operation of the proposed self-routing node under NRZ and OCDMA packet traffic conditions. The successful switching of elastic NRZ payload at 40 Gb/s controlled by DS-OCDMA coded labels and the forwarding operation of encoded data using EQC codes are presented. Proper auto-correlation functions are obtained with higher than 8.1 dB contrast ratio, suitable to efficiently trigger the latching device with a contrast ratio of 11.6 dB and switching times below 3.8 ns. Error-free operation is achieved with 1.5 dB penalty for 40 Gb/s NRZ data and with 2.1 dB penalty for DS-OCDMA packets. The scheme can further be applied to large-scale optical packet switching networks by exploiting efficient optical coders allocated at different WDM channels.</p

A 64 Gb/s PAM-4 linear optical receiver

We present a linear optical receiver realized on 130 nm SiGe BiCMOS. Error-free operation assuming FEC is shown at bitrates up to 64 Gb/s (32Gbaud) with 165 mW power consumption, corresponding to 2.578 pJ/bit