Project Factsheet Funding Scheme: ICT-STREP Web Site: - - PowerPoint PPT Presentation

BIG ¡PIPES ¡

Broadband ¡Integrated ¡and ¡Green ¡Photonic ¡Interconnects ¡ ¡ for ¡High ¡Performance ¡Compu5ng ¡and ¡Enterprise ¡Systems ¡ ¡

Project ¡Presenta5on ¡

December ¡2013 ¡

BIG ¡PIPES ¡– ¡European ¡Commission ¡Framework ¡7 ¡Project ¡Number ¡619591 ¡

Broadband ¡Integrated ¡and ¡Green ¡ ¡ Photonic ¡Interconnects ¡

BIG ¡PIPES ¡– ¡European ¡Commission ¡Framework ¡7 ¡Project ¡619591 ¡ Public ¡Project ¡PresentaAon ¡– ¡December ¡2013 ¡

• Funding ¡Scheme: ¡ICT-­‑STREP ¡
• Web ¡Site: ¡hQp://www.bigpipes.rwth-­‑aachen.de ¡
• Timeline: ¡01/11/2013 ¡– ¡31/10/2016 ¡
• Overall ¡Cost: ¡€4.897.558, ¡EU-­‑Funding: ¡€3.240.000 ¡
• Contact: ¡Prof. ¡Dr. ¡Jeremy ¡Witzens ¡ ¡

Integrated ¡Photonics ¡Laboratory ¡ RWTH ¡Aachen ¡University ¡

• Sommerfeldstr. ¡24 ¡

D-­‑52074 ¡Aachen ¡ Germany ¡ www.iph.rwth-­‑aachen.de ¡ jwitzens@iph.rwth-­‑aachen.de ¡

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Project ¡Factsheet ¡

Broadband ¡Integrated ¡and ¡Green ¡ ¡ Photonic ¡Interconnects ¡

BIG ¡PIPES ¡– ¡European ¡Commission ¡Framework ¡7 ¡Project ¡619591 ¡ Public ¡Project ¡PresentaAon ¡– ¡December ¡2013 ¡

The ¡ConsorAum ¡

7 ¡Partners ¡from ¡4 ¡countries ¡ Ø 1 ¡Large ¡Enterprise ¡ Ø 1 ¡SME ¡ Ø 2 ¡Research ¡Ins5tutes ¡ Ø 3 ¡Academic ¡Partners ¡

3 ¡

Partner ¡List ¡

1. Integrated ¡Photonics ¡Laboratory, ¡ RWTH ¡Aachen ¡University ¡(RWTH-­‑IPH), ¡Germany ¡ 2. III-­‑V ¡Labs, ¡France ¡ 3. Laboratoire ¡de ¡Photonique ¡et ¡de ¡Nanostructures, ¡ ¡ Centre ¡Na5onal ¡de ¡la ¡Recherche ¡Scien5fique ¡ ¡ (CNRS-­‑LPN), ¡France ¡ 4. Ins5tut ¡für ¡Photonik ¡und ¡Quantenelektronik, ¡ ¡ Karlsruhe ¡Ins5tute ¡of ¡Technology ¡(KIT-­‑IPQ), ¡Germany ¡ 5. Radio ¡and ¡Op5cal ¡Communica5ons ¡Laboratory, ¡ ¡ Dublin ¡City ¡University ¡(DCU), ¡Ireland ¡ 6. Mellanox ¡Technologies ¡Ltd., ¡Israel ¡ 7. Pilot ¡Photonics, ¡Ireland ¡

¡ Mellanox ¡ KIT-­‑IPQ ¡ III-­‑V ¡Lab ¡ CNRS-­‑LPN ¡ DCU ¡ PILOT ¡ RWTH-­‑IPH ¡

Broadband ¡Integrated ¡and ¡Green ¡ ¡ Photonic ¡Interconnects ¡

BIG ¡PIPES ¡– ¡European ¡Commission ¡Framework ¡7 ¡Project ¡619591 ¡ Public ¡Project ¡PresentaAon ¡– ¡December ¡2013 ¡

Ø Sustaining ¡ the ¡ rapid ¡ growth ¡ of ¡ Data ¡ Centers ¡ requires ¡a ¡new ¡genera5on ¡of ¡op5cal ¡interconnects ¡ with ¡ improved ¡ data ¡ rates, ¡ reduced ¡ power ¡ consump5on, ¡higher ¡front ¡panel ¡density ¡and ¡beQer ¡ cost ¡efficiency. ¡ Ø Comb ¡ lasers ¡ allow ¡ the ¡ implementa5on ¡ of ¡ wavelength ¡ division ¡ mul5plexed ¡ systems ¡ with ¡ a ¡ single ¡light ¡source. ¡Link ¡budget ¡limita5ons ¡have ¡to ¡ be ¡ compensated ¡ and ¡ data ¡ rates ¡ maximized ¡ with ¡ advanced ¡ modula5on ¡ schemes ¡ and ¡ novel ¡ system ¡

• architectures. ¡

Ø Co-­‑development ¡ of ¡ comb ¡ laser ¡ sources, ¡ op5cal ¡ communica5on ¡ system ¡ architectures, ¡ suppor5ng ¡ components ¡(modulators) ¡and ¡assembly ¡technique ¡ may ¡ result ¡ in ¡ compe55ve ¡ solu5ons ¡ for ¡ future ¡

• p5cal ¡datacenter ¡interconnects. ¡ ¡ ¡

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Project ¡MoAvaAon ¡and ¡Vision ¡

WaQs ¡per ¡Gb/s ¡ XENPAK ¡ Source: ¡Mul5-­‑Source ¡Agreements ¡ X2 ¡ SFP+ ¡ QSFP+ ¡ CFP ¡ CFP2 ¡ CFP4 ¡ QSFP28 ¡ Year ¡of ¡Release ¡ Credits: ¡Thilo ¡Vogel ¡

WDM ¡ Parallel ¡OpIcs ¡

Broadband ¡Integrated ¡and ¡Green ¡ ¡ Photonic ¡Interconnects ¡

BIG ¡PIPES ¡– ¡European ¡Commission ¡Framework ¡7 ¡Project ¡619591 ¡ Public ¡Project ¡PresentaAon ¡– ¡December ¡2013 ¡

BIG ¡PIPES ¡aims ¡at ¡co-­‑developing ¡comb ¡laser ¡sources, ¡modulators, ¡systems ¡architectures ¡and ¡assembly ¡ schemes ¡for ¡the ¡next ¡genera5on ¡of ¡high ¡performance ¡DataCom ¡op5cal ¡interconnects: ¡ ¡ Ø Improving ¡output ¡power, ¡op5cal ¡linewidth, ¡temperature ¡stability ¡and ¡tuning ¡capability ¡of ¡comb ¡

• sources. ¡ ¡

¡

Ø Evalua5ng ¡system ¡architectures ¡with ¡advanced ¡modula5on ¡schemes ¡leveraging ¡the ¡capabili5es ¡of ¡ comb ¡sources ¡for ¡WDM ¡links, ¡including ¡coherent ¡and ¡non-­‑coherent ¡detec5on ¡schemes. ¡ ¡

¡

Ø Tailoring ¡the ¡characteris5cs ¡of ¡integrated ¡modulators, ¡including ¡ring ¡resonator ¡based ¡modulators ¡and ¡ silicon-­‑organic ¡hybrid ¡Mach-­‑Zehnder ¡modulators ¡to ¡these ¡communica5on ¡systems. ¡

¡

Ø Implemen5ng ¡Silicon ¡Photonics ¡based ¡op5cal ¡links ¡as ¡op5cal ¡engines ¡for ¡future ¡EDR, ¡NDR ¡(InfiniBand) ¡ and ¡CFP2 ¡modules ¡as ¡well ¡as ¡hybridly ¡assembled ¡op5cal ¡links ¡with ¡extreme ¡spectral ¡efficiency. ¡

¡

Ø Evalua5ng ¡the ¡assembly ¡of ¡the ¡op5cal ¡subsystems ¡with ¡advanced ¡op5cal ¡assembly ¡techniques ¡such ¡as ¡ photonic ¡wirebonds. ¡

¡

Ø Benchmarking ¡transceiver ¡subsystems ¡with ¡exis5ng ¡switch ¡fabric ¡technology. ¡ ¡

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Project ¡Aims ¡and ¡Approach ¡

Broadband ¡Integrated ¡and ¡Green ¡ ¡ Photonic ¡Interconnects ¡

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Project ¡InnovaAons ¡

Comb ¡Sources ¡

¡ Improved ¡quantum ¡dash ¡mode ¡locked ¡ lasers ¡(MLLs): ¡ Ø BeQer ¡heat ¡sinking ¡with ¡semi-­‑ insula5ng ¡buried ¡ridge ¡

• heterostructure. ¡

Ø On-­‑chip ¡DBRs ¡ ¡for ¡beQer ¡control ¡of ¡ the ¡free ¡spectral ¡range ¡(FSR) ¡ ¡and ¡for ¡ integra5on ¡with ¡SOAs. ¡ Ø Ac5ve ¡layer ¡design ¡with ¡thin ¡ tunneling ¡barrier ¡to ¡prevent ¡carrier ¡ escape ¡and ¡improve ¡thermal ¡

• stability. ¡

¡ Improved ¡Gain ¡Switched ¡Comb ¡Sources ¡ with ¡extended ¡gain ¡bandwidth, ¡as ¡well ¡ as ¡tunable ¡FSR ¡and ¡center ¡frequency. ¡

¡ ¡ System ¡Architectures ¡

¡ Full ¡locking ¡of ¡comb ¡sources ¡with ¡a ¡ combina5on ¡of ¡op5cal ¡phase ¡locked ¡ loops ¡(OPLL) ¡and ¡injec5on ¡locking ¡for ¡ coherent ¡detec5on ¡systems. ¡ ¡ Evalua5on ¡of ¡ring ¡modulator ¡based ¡ DBPSK, ¡coherent ¡BPSK, ¡DQPSK ¡and ¡ coherent ¡QPSK. ¡ ¡ Evalua5on ¡of ¡highly ¡spectrally ¡efficient ¡ modula5on ¡formats ¡such ¡as ¡Nyquist ¡ WDM ¡with ¡silicon-­‑organic ¡hybrid ¡(SOH) ¡ modulators ¡as ¡well ¡as ¡with ¡off-­‑the-­‑shelf ¡ discrete ¡components. ¡

SupporIng ¡Devices, ¡ Assembly ¡and ¡Test ¡

¡

Suppor5ng ¡devices: ¡ Ø Ring ¡modulator ¡based ¡QPSK ¡

• encoding. ¡

Ø Improved ¡SOH-­‑Modulators ¡with ¡25 ¡ Gbaud ¡data ¡rates. ¡ Ø Combined ¡demul5plexer ¡/ ¡ reamplifier ¡chips ¡for ¡boos5ng ¡the ¡

• utput ¡power ¡of ¡the ¡Gain ¡Switched ¡

Comb ¡Sources. ¡

¡

Assembly: ¡ Hybrid ¡assembly ¡of ¡developed ¡ components ¡with ¡photonic ¡wirebonds. ¡ Fiqng ¡of ¡monolithic ¡silicon ¡photonics ¡ (SiP) ¡solu5ons ¡into ¡Mid-­‑Board ¡Op5cal ¡ Modules ¡(MBOM). ¡

¡

Test: ¡ Evalua5on ¡of ¡op5cal ¡subsystems ¡with ¡ InfiniBand ¡switch ¡technology. ¡

Broadband ¡Integrated ¡and ¡Green ¡ ¡ Photonic ¡Interconnects ¡

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Comb ¡Lasers ¡(III-­‑V ¡Lab, ¡CNRS-­‑LPN) ¡ ¡

10nm Growth axis

• 44
• 41
• 38
• 35
• 32
• 29
• 26

Output power (dBm) Project ¡ partners ¡ III-­‑V ¡ Lab ¡ and ¡ LPN ¡ are ¡ providing ¡ the ¡ consor5um ¡ with ¡ semiconductor ¡ comb ¡ lasers ¡ as ¡ compact ¡ light ¡ sources ¡for ¡Wavelength ¡Division ¡Mul5plexed ¡(WDM) ¡light ¡sources. ¡Conven5onal ¡Fabry-­‑Perot ¡lasers ¡can ¡have ¡several ¡ emission ¡lines. ¡However ¡these ¡suffer ¡individually ¡from ¡very ¡high ¡rela5ve ¡intensity ¡noise ¡(RIN) ¡as ¡well ¡as ¡from ¡an ¡uneven ¡ power ¡spectrum. ¡The ¡single ¡sec5on ¡comb ¡lasers ¡used ¡in ¡BIG ¡PIPES ¡have ¡a ¡flaQop ¡power ¡spectrum ¡stabilized ¡by ¡mode-­‑ locking ¡and ¡low ¡individual ¡RIN. ¡Mode ¡locking ¡between ¡the ¡comb ¡lines ¡is ¡expected ¡to ¡enable ¡advanced ¡communica5on ¡ system ¡architectures. ¡

Quantum-­‑Dash ¡layers ¡grown ¡by ¡QSMBE ¡(les) ¡and ¡flat-­‑top ¡spectrum ¡of ¡a ¡comb ¡laser ¡(right). ¡Courtesy ¡of ¡III-­‑V ¡Lab. ¡

• R. ¡Rosales, ¡R.T. ¡WaQs, ¡F. ¡Lelarge, ¡A. ¡Ramdane ¡et ¡al., ¡“Quantum ¡Dash ¡Mode ¡Locked ¡Lasers ¡as ¡Op5cal ¡Comb ¡Sources ¡for ¡OFDM ¡Superchannels,” ¡European ¡

Conference ¡and ¡Exhibi5on ¡on ¡Op5cal ¡Interconnects ¡(2012). ¡

Broadband ¡Integrated ¡and ¡Green ¡ ¡ Photonic ¡Interconnects ¡

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InsAtute ¡of ¡Photonics ¡and ¡Quantum ¡Electronics ¡(IPQ), ¡KIT ¡ ¡

Slabs Metal Metal Gate Vgate SiO2

10 µm Chip 1 Chip 2 SOI waveguides Photonic wire bond

Ultra-­‑broadband ¡links ¡with ¡>1Tbit/s ¡capacity ¡ Ø Nyqist-­‑WDM ¡and ¡advanced ¡modula5on ¡formats ¡ Ø Coherent ¡detec5on ¡ Ø Exploring ¡the ¡capacity ¡limits ¡using ¡the ¡developed ¡sources ¡ Silicon ¡organic ¡hybrid ¡(SOH) ¡integrated ¡modulators ¡ Ø Highest ¡speed ¡ ¡ Ø Linear ¡electro-­‑op5c ¡response ¡ Ø Ultra-­‑low ¡energy ¡consump5on ¡ Photonic ¡wire ¡bonding ¡ Ø Scalable ¡approach ¡to ¡automated ¡system ¡integra5on ¡ Ø Chip-­‑chip ¡and ¡chip-­‑fiber ¡connec5ons ¡ Ø Low-­‑loss ¡single ¡mode ¡links ¡

Broadband ¡Integrated ¡and ¡Green ¡ ¡ Photonic ¡Interconnects ¡

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• Pilot ¡Photonics ¡Ltd. ¡is ¡an ¡Irish ¡SME ¡that ¡produces ¡op5cal ¡comb ¡sources ¡for ¡the ¡

telecommunica5ons ¡R&D ¡and ¡equipment ¡markets. ¡

• PILOT ¡will ¡contribute ¡to ¡BIG ¡PIPES ¡through ¡the ¡development ¡of: ¡

– A ¡comb ¡source ¡suitable ¡for ¡use ¡as ¡a ¡phase ¡locked ¡mul5wavelength ¡local ¡oscillator ¡ – An ¡innova5ve ¡comb ¡source ¡and ¡demux ¡photonic ¡integrated ¡circuit ¡

• PILOT ¡leads ¡WP5: ¡Dissemina5on ¡and ¡Exploita5on ¡
• PILOT ¡will ¡exploit ¡the ¡results ¡of ¡BIG ¡PIPES ¡by ¡incorpora5ng ¡the ¡developed ¡technology ¡

into ¡its ¡product ¡porxolio, ¡and ¡evalua5ng ¡these ¡technologies ¡in ¡the ¡datacoms ¡

• market. ¡

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Pilot ¡Photonics ¡

Comb ¡output ¡from ¡Pilot ¡Photonics ¡gain ¡switched ¡ comb ¡source5nm ¡span, ¡3dB/div ¡10.7 ¡GHz ¡FSR ¡ Gain ¡Switched ¡Comb ¡Source ¡Architecture ¡ 1 ¡x ¡2 ¡Comb ¡Demux ¡PIC ¡

Broadband ¡Integrated ¡and ¡Green ¡ ¡ Photonic ¡Interconnects ¡

BIG ¡PIPES ¡– ¡European ¡Commission ¡Framework ¡7 ¡Project ¡619591 ¡ Public ¡Project ¡PresentaAon ¡– ¡December ¡2013 ¡

Ø The ¡silicon ¡photonics ¡(SiP) ¡transceiver ¡targets ¡an ¡aggressively ¡op5mized ¡implementa5on ¡enabling ¡high ¡data ¡ rates ¡while ¡cuqng ¡energy ¡consump5on, ¡transceiver ¡size, ¡part ¡count ¡and ¡assembly ¡complexity ¡through ¡5ght ¡ integra5on ¡(SiP ¡plaxorm) ¡and ¡novel ¡assembly ¡techniques ¡(photonic ¡wirebond, ¡laser ¡coupler). ¡ Ø A ¡single ¡energy-­‑efficient ¡comb ¡laser ¡diode ¡combined ¡with ¡monolithically ¡integrated ¡SiP ¡modulators ¡and ¡SiP ¡ demux/receivers ¡enables ¡a ¡mul5 ¡channel ¡WDM ¡link. ¡ Ø Integrated ¡ and ¡ co-­‑packaged ¡ photodiodes ¡ and ¡ amplifiers ¡ as ¡ well ¡ as ¡ coherent ¡ and ¡ non-­‑coherent ¡ detec5on ¡ schemes ¡offer ¡improved ¡receiver ¡sensi5vity. ¡ Ø Ring ¡ modulators ¡ are ¡ tailored ¡ towards ¡ high ¡ modula5on ¡ efficiency ¡ and ¡ low ¡ drive ¡ voltage ¡ to ¡ enable ¡ compa5bility ¡with ¡present ¡and ¡future ¡switch ¡fabrics. ¡

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Silicon ¡Photonics ¡(SiP) ¡WDM ¡Transceiver ¡

SiP ¡Ring ¡Modulator ¡ SiP ¡WDM ¡DEMUX ¡ WDM ¡QPSK ¡Receiver, ¡Source: ¡RWTH ¡IPH ¡