Världens snabbaste optiska chip

I sitt labb i Sunnyvale, Kalifornien, håller David Welch, medgrundare av telekomstartupen Infinera, upp en styv två centimeter bred remsa med fyra mönstrade, guldfärgade rektanglar. Den är gjord av indiumfosfid, en halvledare uppskattad för sina optiska egenskaper. Chipets enkla utseende motsäger dess komplexa konstruktion och ger en liten antydan om att det kan vara nyckeln till att på ett billigt sätt kunna leverera den bandbredd som efterfrågas av en YouTube-beroende värld.

Här visas fjorton 100-gigabit fotoniska integrerade kretsar som sitter i en plastbärare för prestandatestning.

Gadgeten kallas en fotonisk integrerad krets, och den representerar ett viktigt praktiskt framsteg inom optisk dataöverföring. Sedan början av 1990-talet har sådan överföring i allt större utsträckning förlitat sig på en teknik som kallas våglängdsmultiplexering (WDM). Med WDM kodas data på så många som 80 laserstrålar som var och en har olika våglängder. Dessa strålar kombineras sedan för en resa genom en optisk fiber som är tunnare än ett människohår. Vid en nod i andra änden av fibern delas strålarna upp i sina ingående våglängder, och informationen omvandlas till de elektriska signaler som når våra datorer.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2007

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Den optiska utrustningen som krävs för att göra allt detta inkluderar lasrar som skickar ljus, multiplexorer som delar upp eller kombinerar det, modulatorer som kodar det med data och detektorer som tar emot det. Traditionellt har dessa enheter inrymts i sina egna små förpackningar, var och en ungefär lika stor som ett tuggummipaket, och kombinationer av dem var skrymmande, dyra och ibland opålitliga. Infinera – som grundades 2001 av erfarna chefer och teknologer från optiska telekomledare som Ciena och JDS Uniphase – hade för avsikt att sätta dussintals sådana komponenter på ett chip, det sätt som elektriska ingenjörer kombinerar transistorer i en elektronisk integrerad krets. Vad ingen hade försökt göra var i princip att sätta ett helt WDM-system på ett par chips [en att skicka, den andra att ta emot], och ingen hade försökt att tillverka den kommersiellt, säger Welch. Infinera försökte inte bara göra både och utan lyckades.

År 2004 introducerade företaget den första storskaliga fotoniska integrerade kretsen – ett chip med 50 optiska komponenter i nanoskala mönstrade i dess yta. Tidigare hade andra tillverkare av optiska chip lyckats integrera endast ett fåtal sådana enheter på ett enda chip. Den första Infinera-enheten kunde skicka eller ta emot 100 gigabit information per sekund. Nu har företaget demonstrerat ett 400-gigabit-chip och är långt med i utvecklingen av vad man beskriver som det snabbaste optiska chipet i världen – en 1,6-terabit-version som man räknar med att kommersialisera inom flera år. De fyra guldlapparna på chipet i Welchs hand innehåller häpnadsväckande totalt 240 mönstrade optiska komponenter.

Multimedia

• En demo av hur Infinera gör ultrasnabba optiska nätverk

Naturligtvis, trots de teoretiska fördelarna med ett helt optiskt Internet, är inget nätverk helt baserat på optik. Utrustning vid nätverksnoder omvandlar optiska signaler till elektriska så att den kan rensa upp dem och förstärka dem, eller leverera dem till en dator. Infineras teknologi gör detta också, och skickar vissa jobb till mikroprocessorer på ett kretskort som sedan överför dem tillbaka.

Men den fotoniska integrerade kretsen minskade kostnaden och komplexiteten för konverteringsprocessen. Denna fördel gjorde i sin tur att Infinera kunde marknadsföra en ny nätverksarkitektur – i huvudsak en med fler nätverksnoder. Andra företag hade försökt hålla nere kostnaderna genom att minska antalet noder, med sina traditionellt skrymmande optiska enheter.

Att ha fler noder innebär mer flexibilitet att lägga till accesspunkter och enklare underhåll och feldetektering. Det gör det alltså lättare att kombinera fördelarna med optik och elektronik. Och Infinera-paketet – chips och kretskort – tar upp en femtedel av utrymmet för konventionell teknik.

I slutet av förra året började Internet2-konsortiet – en grupp av mer än 300 amerikanska regerings-, universitets- och företagsforskningscentra som behöver hög bandbredd för att dela allt från partikelfysikdata till medicinska bilder – att distribuera ett nytt optiskt nätverk som använder Infineras system. Infineras teknologi är unik, säger Steve Cotter, chef för nätverkstjänster på Internet2. Istället för att försöka undvika optisk-elektriska övergångar gjorde de dem kostnadseffektiva.

Fotonisk tillverkning

Att göra Infinera-chips är ingen enkel uppgift. Optiska enheter är tredimensionella strukturer, mycket mer utmanande att tillverka än tvådimensionella kiseltransistorer. Att tillverka lasrarna, detektorerna, modulatorerna och andra komponenter i det färdiga chipet kräver att många tunna lager av olika material, som indiumgalliumarsenid och indiumfosfid upprepade gånger deponeras och etsas bort.

Infineras process börjar med en oblat av indiumfosfid. Skivan rör sig längs ett löpande band, där den är belagd med en sirapsliknande kemikalie som kallas fotoresist. Ultraviolett ljus lyser genom en mask med stencilliknande design och bestrålar fotoresisten, och utvecklar effektivt intrikata mönster som gör att en del halvledarmaterial stannar kvar på skivan och en del kan etsas bort.

På en hög nivå är det samma som fotolitografin som företag som Intel använder för att tillverka kiselmikroprocessorer för din PC. Men det finns en viktig skillnad. I ett Intel-chip är allt kisel. Inom optik använder man olika halvledare med olika funktioner, säger Welch. Och indiumfosfidskivorna går igenom många fler omgångar av avsättning och etsning än vad kiselskivor gör. Infinera är tystlåten om detaljerna i sin tillverkningsprocess, som designades med hjälp av ingenjörer med erfarenhet av uppgifter som tillverkning av kiselmikrochips och masstillverkning av lysdioder. Welch säger att företaget har exklusiva patent på nyckelaspekter av tekniken för att placera ett stort antal enheter på indiumfosfidskivor.

1,6-terabit-chippet skiljer sig från 100-gigabit-versionen till stor del genom antalet enheter som är mönstrade på det. Varje 100-gigabit-chip innehåller bland andra komponenter 10 lasrar, 10 detektorer, 10 modulatorer (som kodar data genom att tända och släcka ljus) och 10 vågledare som styr fotoner in i en multiplexer. 1,6-terabit-chippets 240 komponenter inkluderar 40 lasrar, 40 detektorer, 40 modulatorer och 40 kanaler. Och varje modulator kodar data fyra gånger så snabbt.

Efter att rånorna lossnat skärs de i chips – flera hundra av dem. Slutligen testas chipsen för potentiella felfunktioner, i kombination med elektroniska chips byggda av Infinera på en enhet som kallas ett linjekort, och installeras i optiska nätverksenheter för transport.

Efterfrågan på internetvideo- och rösttjänster exploderar och hotar att överväldiga den typiska bredbandsanslutningen, som sänder mellan en och sex megabit per sekund. Vi tror alla att människor kommer att behöva 25, 50 eller 100 megabit, säger Welch. För att möta den efterfrågan kommer internetföretagen att behöva packa in mer utrustning i redan överfulla växelstationer. Med internettrafiken som växer med 60 till 100 procent per år, kan du inte fortsätta att installera hyllor i kylskåpsstorlek i källaren, säger Welch. Fotonisk integration blir tekniken som gör det möjligt för Internet att växa.

Dölj