Pasaulē ātrākā optiskā mikroshēma

Savā laboratorijā Saniveilā, Kalifornijā, telekomunikāciju jaunuzņēmuma Infinera līdzdibinātājs Deivids Velčs tur uz augšu stingru divus centimetrus platu sloksni ar četriem rakstainiem zelta krāsas taisnstūriem. Tas ir izgatavots no indija fosfīda, pusvadītāja, kas novērtēts tā optisko īpašību dēļ. Mikroshēmas vienkāršais izskats atspēko tās sarežģīto inženieriju un nedod nelielu mājienu, ka tā varētu būt atslēga, lai lēti nodrošinātu joslas platumu, ko pieprasa pasaule, kas ir atkarīga no YouTube.

Šeit ir parādītas četrpadsmit 100 gigabitu fotoniskās integrālās shēmas, kas ievietotas plastmasas turētājā veiktspējas pārbaudei.

Sīkrīku sauc par fotonisko integrēto shēmu, un tas ir svarīgs praktisks sasniegums optiskajā datu pārraidē. Kopš 90. gadu sākuma šāda pārraide arvien vairāk ir balstīta uz paņēmienu, ko sauc par viļņa garuma dalīšanas multipleksēšanu (WDM). Izmantojot WDM, dati tiek kodēti pat 80 lāzera staros, katram no kuriem ir atšķirīgs viļņa garums. Pēc tam šie stari tiek apvienoti, lai nobrauktu pa optisko šķiedru, kas ir plānāka nekā cilvēka mati. Mezglā, kas atrodas šķiedras otrā galā, stari tiek sadalīti to viļņu garumos, un informācija tiek pārvērsta elektriskos signālos, kas sasniedz mūsu datorus.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2007. gada janvāra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Lai to paveiktu, nepieciešamais optiskais aprīkojums ietver lāzerus, kas sūta gaismu, multipleksorus, kas to sadala vai rekombinē, modulatorus, kas to kodē ar datiem, un detektorus, kas tos uztver. Tradicionāli šīs ierīces ir ievietotas savos mazos iepakojumos, katrs apmēram gumijas iepakojuma lielumā, un to kombinācijas bija apjomīgas, dārgas un dažreiz neuzticamas. Uzņēmums Infinera, ko 2001. gadā dibināja veterāni vadītāji un tehnologi no optisko telekomunikāciju līderiem, piemēram, Ciena un JDS Uniphase, nolēma mikroshēmā ievietot desmitiem šādu komponentu, kā elektroinženieri apvieno tranzistorus elektroniskā integrālajā shēmā. Tas, ko neviens nebija mēģinājis darīt, būtībā uzlika visu WDM sistēmu uz pāris mikroshēmām [vienu nosūtīt, otru saņemt], un neviens nebija mēģinājis to komerciāli ražot, saka Velčs. Infinera ne tikai mēģināja paveikt abus, bet arī guva panākumus.

2004. gadā uzņēmums ieviesa pirmo liela mēroga fotonisko integrālo shēmu — mikroshēmu ar 50 nanomēroga optiskiem komponentiem, kas iestrādāti tās virsmā. Iepriekš citiem optisko mikroshēmu ražotājiem bija izdevies integrēt tikai dažas šādas ierīces vienā mikroshēmā. Pirmā Infinera ierīce spēja nosūtīt vai saņemt 100 gigabitus informācijas sekundē. Tagad uzņēmums ir demonstrējis 400 gigabitu mikroshēmu un ir labi paspējis izstrādāt pasaulē ātrāko optisko mikroshēmu — 1,6 terabitu versiju, ko tas plāno komercializēt vairāku gadu laikā. Četri zelta plankumi uz Velča rokā esošās mikroshēmas satur pārsteidzoši daudz 240 rakstainus optiskos komponentus.

Multivide

• Demonstrācija par to, kā Infinera veido īpaši ātrus optiskos tīklus

Protams, neskatoties uz pilnīgi optiskā interneta teorētiskajām priekšrocībām, neviens tīkls nav pilnībā balstīts uz optiku. Tīkla mezglos esošās iekārtas pārveido optiskos signālus elektriskos, lai varētu tos iztīrīt un pastiprināt vai nogādāt datorā. Arī Infinera tehnoloģija to dara, dažus darbus nododot mikroprocesoriem uz shēmas plates, kas pēc tam tos pārsūta atpakaļ.

Taču fotoniskā integrētā shēma samazināja pārveides procesa izmaksas un sarežģītību. Šī priekšrocība savukārt ļāva Infinera veicināt jaunu tīkla arhitektūru – būtībā tādu, kurā ir vairāk tīkla mezglu. Citi uzņēmumi bija mēģinājuši samazināt izmaksas, samazinot mezglu skaitu, izmantojot savas tradicionāli apjomīgās optiskās ierīces.

Vairāk mezglu nozīmē lielāku elastību, pievienojot piekļuves punktus, kā arī vieglāku apkopi un kļūdu noteikšanu. Tādējādi ir vieglāk apvienot optikas un elektronikas priekšrocības. Un Infinera pakete — mikroshēmas un shēmas plates — aizņem vienu piekto daļu no parastās tehnoloģijas.

Pagājušā gada beigās Internet2 konsorcijs — vairāk nekā 300 ASV valdības, universitāšu un korporatīvo pētniecības centru grupa, kam nepieciešams liels joslas platums, lai kopīgotu visu, sākot no daļiņu fizikas datiem līdz medicīniskiem attēliem, sāka izvērst jaunu optisko tīklu, kurā tiek izmantotas Infinera sistēmas. Infinera tehnoloģija ir unikāla, saka Stīvs Koters, Internet2 tīkla pakalpojumu direktors. Tā vietā, lai mēģinātu izvairīties no optiski-elektriskām pārejām, viņi padarīja tās rentablas.

Fotoniskā izgatavošana

Infinera mikroshēmu izgatavošana nav vienkāršs uzdevums. Optiskās ierīces ir trīsdimensiju struktūras, kuru ražošana ir daudz grūtāka nekā divdimensiju silīcija tranzistori. Lai izgatavotu lāzerus, detektorus, modulatorus un citas gatavās mikroshēmas sastāvdaļas, ir nepieciešams atkārtoti uzklāt un kodināt daudzus plānus dažādu materiālu slāņus, piemēram, indija gallija arsenīdu un indija fosfīdu.

Infinera process sākas ar indija fosfīda vafeli. Vafele pārvietojas pa montāžas līniju, kur tā ir pārklāta ar sīrupainu ķīmisku vielu, ko sauc par fotorezistu. Ultravioletā gaisma spīd cauri maskai ar trafaretiem līdzīgiem dizainiem un izstaro fotorezistu, efektīvi veidojot sarežģītus rakstus, kas ļauj daļai pusvadītāju materiāla palikt uz plāksnītes, bet daļai tikt iegravētam.

Augstā līmenī tā ir tāda pati kā fotolitogrāfija, ko tādi uzņēmumi kā Intel izmanto, lai izgatavotu silīcija mikroprocesorus jūsu personālajam datoram. Bet ir būtiska atšķirība. Intel mikroshēmā tas viss ir silīcijs. Optikā jūs izmantojat dažādus pusvadītājus ar dažādām funkcijām, saka Velčs. Un indija fosfīda vafeles iziet daudz vairāk nogulsnēšanas un kodināšanas posmu nekā silīcija vafeles. Infinera ir nerunīga par ražošanas procesa detaļām, kas izstrādātas ar inženieru palīdzību, kas pieredzējuši tādos uzdevumos kā silīcija mikroshēmu un gaismas diožu masveida ražošanā. Welch saka, ka uzņēmumam ir ekskluzīvi patenti par galvenajiem tehnoloģiju aspektiem, kas paredzēti liela skaita ierīču novietošanai uz indija fosfīda plāksnēm.

1,6 terabitu mikroshēma no 100 gigabitu versijas lielā mērā atšķiras ar tai pievienoto ierīču skaitu. Katra 100 gigabitu mikroshēma, cita starpā, satur 10 lāzerus, 10 detektorus, 10 modulatorus (kas kodē datus, ieslēdzot un izslēdzot gaismu) un 10 viļņvadus, kas novirza fotonus multipleksorā. 1,6 terabitu mikroshēmas 240 komponenti ietver 40 lāzerus, 40 detektorus, 40 modulatorus un 40 kanālus. Un katrs modulators kodē datus četras reizes ātrāk.

Pēc tam, kad vafeles tiek noņemtas no līnijas, tās sagriež čipsos — vairākos simtos. Visbeidzot, mikroshēmas tiek pārbaudītas, lai noteiktu iespējamos darbības traucējumus, apvienotas ar elektroniskajām mikroshēmām, kuras Infinera ir izveidojis ierīcē, ko sauc par līnijas karti, un ir uzstādītas optiskā tīkla vienībās nosūtīšanai.

Pieprasījums pēc interneta video un balss pakalpojumiem strauji pieaug, draudot pārņemt tipisko platjoslas savienojumu, kas pārraida no viena līdz sešiem megabitiem sekundē. Mēs visi domājam, ka cilvēkiem būs nepieciešami 25, 50 vai 100 megabiti, saka Velčs. Lai apmierinātu šo pieprasījumu, interneta uzņēmumiem būs jāiepako vairāk aprīkojuma jau tā pārpildītajās komutācijas stacijās. Tā kā interneta trafiks pieaug par 60 līdz 100 procentiem gadā, jūs nevarat turpināt uzstādīt ledusskapja izmēra plauktus pagrabā, saka Velčs. Fotoniskā integrācija kļūst par tehnoloģiju, kas ļauj internetam attīstīties.

paslēpties