Der schnellste optische Chip der Welt

David Welch, Mitbegründer des Telekommunikations-Startups Infinera, hält in seinem Labor in Sunnyvale, Kalifornien, einen starren, zwei Zentimeter breiten Streifen mit vier gemusterten, goldfarbenen Rechtecken hoch. Es besteht aus Indiumphosphid, einem Halbleiter, der für seine optischen Eigenschaften geschätzt wird. Das schlichte Erscheinungsbild des Chips täuscht über seine komplexe Technik hinweg und gibt kaum einen Hinweis darauf, dass er der Schlüssel sein könnte, um die von einer YouTube-süchtigen Welt benötigte Bandbreite kostengünstig bereitzustellen.

Hier sind vierzehn photonische integrierte Schaltkreise mit 100 Gigabit in einem Kunststoffträger für Leistungstests zu sehen.

Das Gerät wird als photonischer integrierter Schaltkreis bezeichnet und stellt einen wichtigen praktischen Fortschritt in der optischen Datenübertragung dar. Seit den frühen 1990er Jahren beruht eine solche Übertragung zunehmend auf einer Technik, die als Wellenlängenmultiplex (WDM) bezeichnet wird. Bei WDM werden Daten auf bis zu 80 Laserstrahlen mit jeweils einer anderen Wellenlänge codiert. Diese Strahlen werden dann für eine Reise durch eine optische Faser kombiniert, die dünner als ein menschliches Haar ist. An einem Knoten am anderen Ende der Faser werden die Strahlen in ihre einzelnen Wellenlängen aufgespalten und die Informationen in elektrische Signale umgewandelt, die unsere Computer erreichen.

Diese Geschichte war Teil unserer Januar-Ausgabe 2007

• Siehe den Rest der Ausgabe
• Abonnieren

Die dafür erforderliche optische Ausrüstung umfasst Laser, die Licht senden, Multiplexer, die es aufteilen oder rekombinieren, Modulatoren, die es mit Daten kodieren, und Detektoren, die es empfangen. Traditionell wurden diese Geräte in ihren eigenen kleinen Verpackungen untergebracht, die jeweils etwa die Größe einer Kaugummipackung hatten, und Kombinationen davon waren sperrig, teuer und manchmal unzuverlässig. Infinera – gegründet im Jahr 2001 von erfahrenen Führungskräften und Technologen führender optischer Telekommunikationsunternehmen wie Ciena und JDS Uniphase – hat sich zum Ziel gesetzt, Dutzende solcher Komponenten auf einem Chip zu platzieren, so wie Elektroingenieure Transistoren in einer elektronischen integrierten Schaltung kombinieren. Was niemand versucht hatte, war im Wesentlichen, ein ganzes WDM-System auf ein Paar Chips zu legen [einen zum Senden, den anderen zum Empfangen], und niemand hatte versucht, es kommerziell herzustellen, sagt Welch. Infinera hat nicht nur versucht, beides zu tun, sondern es ist ihm auch gelungen.

Im Jahr 2004 stellte das Unternehmen den ersten großformatigen photonischen integrierten Schaltkreis vor – einen Chip mit 50 nanoskaligen optischen Komponenten, die in seine Oberfläche strukturiert sind. Zuvor war es anderen Herstellern optischer Chips gelungen, nur wenige solcher Geräte auf einem einzigen Chip zu integrieren. Das erste Infinera-Gerät war in der Lage, 100 Gigabit an Informationen pro Sekunde zu senden oder zu empfangen. Jetzt hat das Unternehmen einen 400-Gigabit-Chip demonstriert und ist bei der Entwicklung des angeblich schnellsten optischen Chips der Welt weit fortgeschritten – einer 1,6-Terabit-Version, die in einigen Jahren kommerzialisiert werden soll. Die vier goldenen Patches auf dem Chip in Welchs Hand enthalten erstaunliche 240 gemusterte optische Komponenten.

Multimedia

• Eine Demo, wie Infinera ultraschnelle optische Netzwerke herstellt

Trotz der theoretischen Vorteile eines rein optischen Internets basiert natürlich kein Netzwerk ausschließlich auf Optik. Geräte an Netzwerkknoten wandeln optische Signale in elektrische um, um sie zu bereinigen und zu verstärken oder an einen Computer weiterzugeben. Die Technologie von Infinera tut dies auch, indem sie einige Jobs an Mikroprozessoren auf einer Platine weitergibt, die sie dann zurückübertragen.

Aber die photonische integrierte Schaltung reduzierte die Kosten und die Komplexität des Umwandlungsprozesses. Dieser Vorteil wiederum ermöglichte es Infinera, eine neue Netzwerkarchitektur zu fördern – im Wesentlichen eine mit mehr Netzwerkknoten. Andere Unternehmen hatten versucht, die Kosten niedrig zu halten, indem sie die Anzahl der Knoten mit ihren traditionell sperrigen optischen Geräten reduzierten.

Mehr Knoten bedeuten mehr Flexibilität beim Hinzufügen von Zugangspunkten und einfachere Wartung und Fehlererkennung. So lassen sich die Vorteile von Optik und Elektronik leichter vereinen. Und das Infinera-Gehäuse – Chips und Leiterplatten – nehmen ein Fünftel des Platzes herkömmlicher Technologie ein.

Ende letzten Jahres begann das Internet2-Konsortium – eine Gruppe von mehr als 300 Forschungszentren der US-Regierung, Universitäten und Unternehmen, die eine hohe Bandbreite benötigen, um alles von Teilchenphysikdaten bis hin zu medizinischen Bildern auszutauschen – mit der Bereitstellung eines neuen optischen Netzwerks, das die Systeme von Infinera verwendet. Die Technologie von Infinera ist einzigartig, sagt Steve Cotter, Director of Network Services bei Internet2. Anstatt zu versuchen, optisch-elektrische Übergänge zu vermeiden, machten sie sie kostengünstig.

Photonische Herstellung

Die Herstellung der Infinera-Chips ist keine einfache Aufgabe. Optische Geräte sind dreidimensionale Strukturen, deren Herstellung weitaus schwieriger ist als zweidimensionale Siliziumtransistoren. Die Herstellung der Laser, Detektoren, Modulatoren und anderer Komponenten des fertigen Chips erfordert das wiederholte Abscheiden und Wegätzen vieler dünner Schichten unterschiedlicher Materialien, wie beispielsweise Indium-Gallium-Arsenid und Indium-Phosphid.

Der Prozess von Infinera beginnt mit einem Wafer aus Indiumphosphid. Der Wafer bewegt sich entlang einer Montagelinie, wo er mit einer sirupartigen Chemikalie namens Photoresist beschichtet wird. Ultraviolettes Licht scheint durch eine Maske mit schablonenähnlichen Designs und bestrahlt den Fotolack, wodurch komplizierte Muster effektiv entwickelt werden, die es ermöglichen, dass einige Halbleitermaterialien auf dem Wafer verbleiben und andere weggeätzt werden.

Auf hohem Niveau ist es dasselbe wie die Photolithographie, die Unternehmen wie Intel verwenden, um Silizium-Mikroprozessoren für Ihren PC herzustellen. Aber es gibt einen wichtigen Unterschied. In einem Intel-Chip ist alles Silizium. In der Optik verwende man verschiedene Halbleiter mit unterschiedlichen Funktionen, sagt Welch. Und die Indiumphosphid-Wafer durchlaufen viel mehr Abscheidungs- und Ätzrunden als Silizium-Wafer. Infinera ist bei den Details seines Herstellungsprozesses, der mit Hilfe von Ingenieuren entwickelt wurde, die Erfahrung mit Aufgaben wie der Herstellung von Silizium-Mikrochips und der Massenproduktion von Leuchtdioden haben, wortkarg. Welch sagt, dass das Unternehmen exklusive Patente für Schlüsselaspekte der Technologie besitzt, um eine große Anzahl von Geräten auf Indiumphosphid-Wafern zu platzieren.

Der 1,6-Terabit-Chip unterscheidet sich von der 100-Gigabit-Version vor allem durch die Anzahl der darauf gemusterten Geräte. Jeder 100-Gigabit-Chip enthält unter anderem 10 Laser, 10 Detektoren, 10 Modulatoren (die Daten durch Ein- und Ausschalten von Licht kodieren) und 10 Wellenleiter, die Photonen in einen Multiplexer leiten. Die 240 Komponenten des 1,6-Terabit-Chips umfassen 40 Laser, 40 Detektoren, 40 Modulatoren und 40 Kanäle. Und jeder Modulator codiert Daten viermal so schnell.

Nachdem die Wafer vom Band gelaufen sind, werden sie in Chips geschnitten – mehrere Hundert davon. Schließlich werden die Chips auf mögliche Fehlfunktionen getestet, mit elektronischen Chips von Infinera auf einer sogenannten Linecard kombiniert und für den Versand in optische Netzwerkeinheiten eingebaut.

Die Nachfrage nach Internet-Video- und Sprachdiensten explodiert und droht die typische Breitbandverbindung, die zwischen einem und sechs Megabit pro Sekunde überträgt, zu überfordern. Wir alle denken, dass die Menschen 25, 50 oder 100 Megabit brauchen werden, sagt Welch. Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, müssen Internetunternehmen mehr Geräte in bereits überfüllte Schaltstationen packen. Da der Internetverkehr um 60 bis 100 Prozent pro Jahr wächst, können Sie im Keller keine Regale in Kühlschrankgröße installieren, sagt Welch. Photonische Integration wird die Technologie, die das Internet wachsen lässt.

verbergen