Wie funktioniert der optische POET-Transceiver?

Logo POET Technologies

Die von POET Technologies versprochene neue Offenheit nimmt wohl Gestalt an. Das Unternehmen bestätigte jüngst nicht nur eine Roadshow bei Investbanken in den letzten beiden Oktoberwochen, sondern veröffentlichte eine technische Übersicht zum optischen POET-Transceiver auf seiner Website. Der Achtseiter skizziert heutige Verfahren optischer Datenkommunikation und stellt ihnen die POET-Lösung gegenüber. Diese verspricht beträchtliche Kosten- und Energieeinsparungen und soll im vierten Quartal 2016 auf den Markt kommen.

English abstract: The new openess POET Technologies has promised, seems to take shape. The company not only confirmed a roadshow at investment banks in the last two weeks of October, it also published a white paper about its optical transceiver on its website. The eight-page document outlines current methods of optical data communication and compares them to the POET solution. The latter promises substantial cost and energy savings and is to come to the market in the fourth quarter of 2016.

Für den Transport von Daten werde sehr viel mehr Energie benötigt als für ihre Verarbeitung, ist in dem jetzt veröffentlichten Dokument „Implementation of Short Reach (SR) and Very Short Reach (VSR) data links using POET DOES (Digital Opto-­Electronic Switch)“ zu lesen: 200 mal höher sei der Verbrauch beim Datentransport auf der Platine (10 – 30 cm) und 2000 mal höher beim Transport innerhalb des Rechenzentrums. Auf kurzen Strecken komme heute hauptsächlich Kupfer als Übertragungsmedium zum Einsatz.

Leistungsaufnahme verschiedener Datenübertragungsverfahren

Abbildung 1: Leistungsaufnahme verschiedener Datenübertragungsverfahren

Wie Abbildung 1 zeigt, ist das aber ungünstig. Rund 3 Watt zieht eine Datenverbindung von 10 Gbps (Gigabit pro Sekunde) über ein Kupferkabel. Ersetzt man das »dumme« Kupferkabel durch eine aktive Verbindung mit Energiesteuerung, kann man das auf vielleicht 1,5 W reduzieren. Doch dies ist immer noch sehr viel im Vergleich zur optischen Datenübertragung per Glasfaser, die nur 15 Milliwatt (mW ) benötigt.

Die Energieeinsparung ist also sehr hoch, wenn man elektrische Datenverbindungen durch optische ersetzt. Innerhalb des Rechenzentrums kommen dafür Verbindungen zwischen Chips, zwischen Platinen und zwischen Racks in Frage.

Übertragungsgeschwindigkeiten liegen heute laut POET Technologies meist bei 10 Gbps, wobei es auch Lösungen gibt, die vier 25-Gbps-Kanäle zu 100 Gbps zusammenfassen. Unter Laborbedingungen werden auch höhere Werte erzielt; Planungen reichen bis zu 400 Gbps. Man unterscheidet zwischen kurzer Reichweite (Short Reach, SR) bis zu 500 Metern und sehr kurzer Reichweite (Very Short Reach, VSR) bis zu 50 Metern.

Grundsätzlich kommen heute zwei verschiedene Techniken zum Einsatz. Sie basieren entweder auf VCSEL oder auf Silicon Photonics (SiP).

VCSEL

VCSEL-Transceiver

Abbildung 2: VCSEL-Transceiver (schematisch)

Das Kürzel VCSEL steht für Vertical Cavity Surface-emitting Laser und ist ein Laser, der Licht senkrecht zur Chip-Oberfläche abstrahlt. Ein VCSEL-Transceiver (Abbildung 2) wandelt ein elektrisches Signal in ein optisches um, das der VCSEL in die Glasfaser abstrahlt. Für die Gegenrichtung ist durch einen Detektor und die zugehörige Elektronik ebenfalls gesorgt.

Kommerziell verfügbare VCSEL und Detektoren arbeiten in der Regel mit einer Wellenlänge von 850 Nanometer (nm). Diese VCSEL sind für Multimodefasern ausgelegt und stellen damit eine preisgünstige Lösung dar. Damit lassen sich bei 10 Gbps heute Reichweiten von 300 m erzielen. Bei 25 Gbps vermindert sich die Reichweite auf etwa 100 m. VCSEL-Transceiver bestehen aus vier verschiedenen Chips.

Silicon Photonics

Für größere Reichweiten sind Singlemodefasern nötig. Die passen aber nicht mit VCSELn zusammen, weil diese im Multimode arbeiten. Hier kommt Silicon Photonics (SiP) zum Einsatz. SiP implementiert verschiedene optische Funktionen in einem Siliziumchip. Standardkonfigurationen enthalten drei verschiedene Chips: einen elektronischen IC, einen Photonik-IC und den Laser. SiP ist teuer als VCSEL-Lösungen.

Laser und Detektoren arbeiten bei Wellenlängen von 1310 nm oder 1550 nm. Neben der größeren Reichweite durch den Singlemode-Betrieb ermöglicht SiP zugunsten einer höhere Bandbreite Modulationsverfahren wie PAM-4 oder CWDM, wo übliche VCSEL derzeit ebenfalls passen müssen.

Die POET-Lösung

Sowohl die heutigen VCSEL-Transceiver wie auch SiP weisen zwei gravierende Nachteile auf:

  • Hohe Herstellungskosten durch mehrere Chips, die aufwendig miteinander verbunden und in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden müssen.
  • Hoher Energieverbrauch durch geringe Effizienz des Laser-Treibers und die Notwendigkeit, Signale an verschiedenen Stellen zu verbessern und zu verstärken.

Diese Probleme will POET Technologies mit der eigenen VCSEL-Transceiver-Entwicklung lösen. Diese zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

  1. Das POET-Verfahren erlaubt es, VCSEL und elektronische Bausteine wie Feldeffekttransistoren (Field Effect Transistor, FET) und Bipolartransistoren mit Heteroübergang (Heterojunction Bipolar Junction Transistor, HBT) in ein und demselben integrierten Schaltkreis unterzubringen, sprich: monolithisch zu integrieren. Es gibt also nur einen einzigen Chip. Das aufwendige Verbinden mehrerer unterschiedlicher Chips entfällt.
  2. Die epitaktische Beschichtung für die Integration von VCSEL und Elektronik gemäß dem POET-Verfahren ist einfacher als die für traditionelle VCSEL. Dies ermöglicht bereits bei der Epitaxie Kosteneinsparungen.
  3. Die Transistoren für Laser-Treiber und Modulator sind zusammen mit dem Laser integriert. Diese Integration vereinfacht den Laser erheblich, da er sich unmittelbar durch einen Hochgeschwindigkeits-HFET ansteuern läßt. Das Signal wird nicht durch den Übergang zwischen verschiedenen Chips beeinträchtigt wird und braucht daher nicht korrigiert zu werden. Das reduziert den Energieverbrauch.
  4. Herkömmliche VCSEL arbeiten analog. Die digitale Information wird auf den Laserstrahl aufmoduliert, indem die Ausgangsleistung des Lasers zwischen einem etwas höheren und einem etwas niedrigeren Wert wechselt. Auf der Empfangsseite muß der Detektor bzw. die Elektronik die beiden Leistungsniveaus unterscheiden können, um das Signal zu dekodieren. Der Laser ist jedoch kontinuierlich eingeschaltet. – Der POET-Laser macht das anders. Er arbeitet digital und kodiert Einsen und Nullen durch echtes Ein- und Ausschalten des Lasers. POET nennt die entsprechende Komponente Digital Opto-­Electronic Switch (DOES). Der DOES besitzt einen eigenen Verstärker und kommt zur Ansteuerung mit einem einzigen Transistor aus.
  5. POET verwendet den DOES auch als Detektor. In dieser Funktion sorgt der interne Verstärke für eine hohe Empfindlichkeit bei der Signalerkennung. Er liefert ein digitales Ausgangssignal, was einen Transimpedanzverstärker (TIA) überflüssig macht. Die Umwandlung des optischen in ein elektrisches Signal erfolgt in einem einzigen Schritt.
  6. Senden wie Empfangen haben es mit einem simplen digitalen Signal zu tun, was Verbesserungen der Wellenformen per Feed-Forward Equalization (FFE) oder Decision Feedback Equalization (DFE) überflüssig macht und die entsprechenden Schaltkreise mitsamt ihrem Stromverbrauch einspart.
  7. Der POET-VCSEL arbeitet im Singlemode und eignet sich damit auch für größere Reichweiten. Mit einem Standard-VCSEL ist das nicht möglich.

Die zahlreichen Vereinfachungen sollen insgesamt zu einem Energieverbrauch führen, der um bis zu rund 90 Prozent unter dem des Wettbewerbs liegt. Diesen Aspekt hält POET Technologies für noch wichtiger als die durch die monolithische Integration erzielten erheblich geringeren Herstellungskosten .

Dank Singlemode-Betrieb verspricht sich das Unternehmen bei 25 Gbps pro Kanal Reichweiten von bis zu 500 m. Dies sei eine sehr attraktive Alternative zu SiP.

Ausblick

POET Technologies nutzt für die aktuelle VCSEL-Produktentwicklung die Möglichkeit, einen Laserstrahl senkrecht zur Chip-Oberfläche abzustrahlen („out-of-plane“). Mit dem POET-Verfahren lassen sich aber auch Laser produzieren, die Licht nicht nach draußen schicken, sondern innerhalb des Chips weiterleiten („in-plane“).

Daraus ergeben sich zahlreiche weitere Anwendungen, zum Beispiel RF Photonics, optische Analog-Digital-Wandler (ADC), optisches Taktsignal, CWDM und so weiter. POET biete hier alles, was vergleichbare Techniken leisten – und zusätzlich die Integration von Optik und Elektronik. Das POET-Dokument betont an dieser Stelle besonders die Integration des Lasers und des optischen Verstärkers. Gerade dort könne Silicon Photonics nicht mithalten.

Auch wenn POET Technologies die Möglichkeiten von „in-plane“ erst in künftigen Produktentwicklungen nutzen will, können SiP-Hersteller – jedenfalls die, diejenigen, die auf dieses Dokument aufmerksam werden – schon jetzt ins Grübeln kommen.

In meinen Augen belegt das White Paper die klare technische wie kostenmäßige Überlegenheit sowohl des POET-VCSEL-Transceivers wie auch der POET-Plattform ganz allgemein – eine erfolgreiche Umsetzung bei der Produktentwicklung vorausgesetzt.

Der Aktienkurs

Der Aktienkurs zog am Freitag (2015-10-09) kräftig an und sprang von CAD 0,78 um 19,2 Prozent auf CAD 0,93. Unterstützend könnte das Bekanntwerden von Insiderkäufen gewesen sein, die POETs Co-Chairman Peter Copetti getätigt hat. Er kaufte in der vergangenen Woche täglich einige tausend POET-Aktien und sammelte insgesamt 35.000 Stück ein. Keine riesige Investition, gewiß, aber auf jeden Fall ein positives Zeichen an den Markt inklusive der Investmentbanker, die Copetti demnächst treffen wird. Er habe gekauft, ließ Copetti verlauten, weil er voll und ganz hinter der POET-Story stehe.


In eigener Sache

Meine Blogbeiträge zu POET Technologies sind kostenlos und sollen es möglichst auch bleiben. Informationen zu recherchieren, aufzubereiten und Beiträge zu schreiben, kostet jedoch einiges an Zeit und Aufwand. Wenn dir das Ergebnis etwas wert ist, dann freue ich mich nicht nur über Feedback, sondern auch über die Überweisung eines Betrags deiner Wahl auf das Konto IBAN DE93360100430323898437, BIC PBNKDEFF. Betreff: POET-Blog. Vielen Dank!


Bitte beachten Sie die Hinweise zu Risiken und zum Haftungsausschluß!

Schreibe einen Kommentar

Trage deine Daten unten ein oder klicke ein Icon um dich einzuloggen:

WordPress.com-Logo

Du kommentierst mit Deinem WordPress.com-Konto. Abmelden / Ändern )

Twitter-Bild

Du kommentierst mit Deinem Twitter-Konto. Abmelden / Ändern )

Facebook-Foto

Du kommentierst mit Deinem Facebook-Konto. Abmelden / Ändern )

Google+ Foto

Du kommentierst mit Deinem Google+-Konto. Abmelden / Ändern )

Verbinde mit %s