Interconnessioni VCSEL multidimensionali

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Uno storico problema dell’elettronica è la risposta dei circuiti alla temperatura e alle interferenze elettromagnetiche e non riguarda solo le prestazioni dei singoli dispositivi, in particolar modo dei transistor, ma anche le funzionalità a livello dei sottosistemi ossia alimentatori, convertitori, memorie e interfacce periferiche.

Nel supercomputer Stampede in fase di costruzione al Texas Advanced Computing Center di Austin si parla di 120 chilometri di fibre ottiche per le connessioni fra rack

È ben noto che le giunzioni scaldano e quando i circuiti integrati ne ospitano a milioni in pochi millimetri quadrati ecco che le temperature dei package possono salire oltre gli 80 °C anche con una buona ventilazione; se si considera che oggi si trovano parecchi circuiti integrati a elevate prestazioni montati su schede di una decina di cm di lato, ecco che si rischia facilmente di superare le specifiche termiche garantite dai costruttori sui componenti non rugged e ciò significa degradarne le prestazioni e consumare molta più potenza elettrica, con la conseguenza di attirare inevitabilmente ulteriori problematiche elettromagnetiche, notoriamente proporzionali alla vicinanza e all’intensità dei segnali.

Queste difficoltà hanno spinto i ricercatori a sviluppare maggiormente le modalità ottiche di interconnessione fra i sottosistemi ossia fra scheda e scheda, fra scheda e circuito integrato e fra circuito integrato e circuito integrato, capaci di garantire elevate velocità di transito per i segnali insieme a prestazioni stabili e immuni da errori.

La struttura di un laser VCSEL sfrutta strati sovrapposti di semiconduttori con la zona attiva in mezzo a due reticoli Bragg che servono da specchi per amplificare l’emissione verticale dall’alto

I laser VCSEL rispondono a quest’esigenza perché consentono di realizzare interconnessioni a corto raggio fra i sistemi usando la fibra ottica, che è notoriamente immune dai guai termici ed elettromagnetici e oggi può finalmente servire anche a interconnettere tutti i sottosistemi a costi convenienti.

Km di polimeri invece di km di rame

Oggi i laser VCSEL s’impongono come la scelta preferita per collegare con efficienza e affidabilità i sistemi a livello chip-to-chip, board-to-board, module-to-module e rack-to-rack e possono perciò servire anche per interconnettere a banda larga gli storage server e i sottosistemi di rete quali switch, router e gateway. Sono molte le attuali tecnologie che possono beneficiare delle connessioni VCSEL ad alta velocità e, prime fra tutte, InfiniBand nella versione EDR da 26 Gbps e Serial Attached SCSI (SAS) che oggi è a 12 Gbps ma crescerà a breve a 24 Gbps.

A sinistra l’Holey Optochip di IBM con 24 laser VCSEL e a destra due fotografie al SEM di un VCSEL Philips Photonics con in alto la tipica struttura a strati sovrapposti

Attualmente nel mondo sono state installate molte stazioni telematiche composite, che incorporano sia centri di calcolo sia centri di memorizzazione dati e sono generalmente strutturate con diversi livelli di gerarchia e gestite da un sofisticato ma rapido motore di selezione del livello di priorità di volta in volta necessario. Questi centri hanno migliaia di sottosistemi a elevate prestazioni in ogni armadio, che possono risentire sia della temperatura ambiente sia delle interferenze elettromagnetiche e tanto a livello di prestazioni dei singoli componenti quanto per le numerosissime connessioni fra chip e chip, fra chip e scheda e fra scheda e armadio. In queste condizioni i semiconduttori e il rame sono pericolosamente sensibili non solo dal punto di vista termico, ma anche per l’elevata accoppiabilità elettromagnetica che li espongono a svariati fenomeni che ne frenano la velocità e possono drasticamente peggiorare la qualità dei segnali.

Le interconnessioni ottiche basate su laser VCSEL possono sostituire le piste e i cablaggi di rame in molti collegamenti tipici come fra backplane e backplane o fra transceiver e transceiver ma possono anche completarne le prestazioni per dar vita a sistemi di interconnessione ibridi con il rame per distribuire l’alimentazione e i segnali a bassa velocità e le fibre ottiche polimeriche per tutte le altre connessioni dove, oltre al costo relativamente basso e all’alta velocità, garantiscono anche l’immunità termica ed elettromagnetica, sempre più indispensabili nelle nuove generazioni di sistemi multi-scheda e multi-armadio.

Oltre a tutti questi vantaggi, le fibre ottiche aggiungono la preziosissima intercambiabilità plug&play per molti dei collegamenti più importanti e quindi la possibilità di intervenire rapidamente in caso di manutenzione o aggiornamento delle prestazioni. In seno all’IEC sta lavorando un Joint Working Group (JWG), proprio allo scopo di mettere a punto gli standard necessari per permettere l’integrazione fra i backplane elettrici e ottici e consentire di collegare plug&play entrambi i tipi di connettori, mentre il progetto SEPIANet (System Embedded Photonics In Access Networks), stabilito di comune accordo fra alcuni laboratori e centri di ricerca inglesi e tedeschi, sta definendo i requisiti per le schede PCB destinate ad accettare entrambi i tipi di connettori.

È di poco più di un anno fa la notizia della presentazione a Los Angeles da parte dei ricercatori IBM del primo prototipo funzionante del transceiver ottico “Holey Optochip” capace della velocità record di 1 Tbps (un milione di milioni di bit al secondo) realizzato componendo insieme 24 laser VCSEL con lunghezza d’onda di 850 nm, ma è dell’inizio di quest’anno la presentazione dei primi risultati di una ricerca e sviluppo IBM sulle Network-on-Chip ossia sulla possibilità di connettere ad alta velocità i core multipli delle CPU.

Philips Photonics progetta in Germania i laser VCSEL a 850 nm nelle versioni base a 14 Gbps con 1, 4 o 12 elementi e anche in versione robusta da 5 Gbps operativa da -40 a 90 °C

Al recente ISSCC 2014 i suoi scienziati hanno mostrato un prototipo con 16×16 core connessi elettricamente a commutazione di pacchetto e di circuito con velocità inter-core di 20,2 Tbps e l’obiettivo che si propongono è di sviluppare ancor più la tecnica fino a introdurre anche fra core e core le connessioni ottiche con laser VCSEL.

Come sono fatti i VCSEL

I Vertical Cavity Surface Emitting Laser, o laser a cavità verticale a emissione superficiale, sono costruiti come un sandwich depositando diversi strati di semiconduttori uno sopra l’altro che però sono sostanzialmente omogenei, ossia senza particolari microstrutture, e perciò i costi di fabbricazione sono generalmente inferiori rispetto ai laser a emissione laterale, che richiedono layout più complessi e attente fasi di litografia.

Inoltre, l’emissione dall’alto e la deposizione dei materiali strato su strato permette di realizzare facilmente degli array di laser in pochi cm quadrati, sia per aumentare la potenza irradiata, sia allo scopo di implementare tecniche di comando custom per applicazioni specifiche. La giunzione dove si generano i fotoni è realizzata fra due strati contigui di arseniuro di gallio e arseniuro di gallo-indio ma poiché l’efficienza non è molto alta allora si tende a sovrapporre in serie due o tre giunzioni per aumentarne il rendimento.

V25-850C4 di VI Systems ha quattro laser VCSEL con emissione a 850 nm, velocità di trasmissione di 28 Gbps e affidabilità garantita per 6000 ore di funzionamento continuo

Al di sotto e al di sopra ci sono due reticoli di diffrazione Bragg formati da una serie di strati sovrapposti di GaAs e p⁺AlGaAs verso il contatto base e GaAs e n^–AlAs verso il contatto superiore che ha un’apertura centrale dalla quale esce verticalmente l’emissione luminosa con lunghezza d’onda che si può determinare da circa 650 a 1350 nm. In pratica, i reticoli Bragg sono degli specchi selettivi che riflettono solamente i fotoni con lunghezza d’onda in risonanza con il passo del reticolo e perciò quando in fase di progettazione si decide lo spessore degli strati da depositare si determina univocamente anche la lunghezza d’onda dell’emissione laser.

La scelta del p⁺AlGaAs per il reticolo in basso serve a ottenere uno specchio altamente riflettente mentre il n^–AlAs del reticolo verso l’alto crea uno specchio parzialmente riflettente, che serve a contenere nella cavità laser solo la luce necessaria e sufficiente per mantenere l’emissione stimolata, mentre lascia fuoriuscire dall’alto quella utile per le applicazioni. Fra i vantaggi dei laser Vcsel c’è anche la bassa corrente di attivazione, che li rende ideali nei sistemi dove sia necessario contenere i consumi e soprattutto laddove ci siano numerosi sottosistemi integrati in poco spazio, perché si semplificano le tecniche di modulazione e comando a livello circuitale anche per velocità dell’ordine dei 25 Gbps.

Inoltre, il fascio emesso verticalmente ha un diametro tipico inferiore alla decina di µm del nucleo delle fibre ottiche monomodali e ben inferiore ai 50 o 62,5 µm del nucleo delle fibre multimodali e perciò consente di predisporre modalità di accoppiamento senza perdite robuste e di facile installazione, ideali per realizzare dispositivi per PCB rapidamente montabili e smontabili. Per quanto riguarda la scelta della frequenza più adatta alle connessioni a corto raggio i laser VCSEL che emettono a 850 nm sono più economici ma è a 980 nm che offrono la miglior stabilità termica e la maggior velocità di accensione e spegnimento.

VCSEL che parlano tedesco

II-IV Laser Enterprise si dedica al progetto e all’ingegnerizzazione dei componenti optoelettronici fra cui si trovano laser a singolo modo, diodi ad alta potenza e laser VCSEL. Al recente Photonics West ha presentato un nuovo tipo di laser High Power VCSEL con emissione di 850 nm, velocità di trasmissione di 25 Gbps e potenza di ben 2W.

La serie base dei laser VCSEL Multi-Mode 10G Chip è caratterizzata dell’emissione multimodale a 850 nm e dalla velocità di trasmissione regolabile da 0 a 10 Gbps, oltre che dalla potenza di 8 mW ottenuta con un assorbimento massimo in corrente di 6 mA e con una deriva termica in lunghezza d’onda di soli 0,06 nm/°C nell’intero range operativo da 0 a 70 °C. Questi laser sono forniti anche in serie da quattro sempre con emissione a 850 nm e con velocità di trasmissione di 14 oppure 20 Gbps, ma c’è anche una versione High Power VCSEL Array composta da ben 96 laser VCSEL single-chip con emissione di 850 nm e potenza complessiva di 0,9W utilizzabile nelle applicazioni di riconoscimento gestuale.

Philips Photonics ricerca e sviluppa molti dei suoi laser e dei suoi componenti ottici all’università tedesca di Ulm che vengono in parte prodotti nei locali stabilimenti di Ulm Photonics ufficialmente parte di Philips dal 2006. In questi laboratori è stata sviluppata la Laser Doppler Technology utilizzata sia nei laser VCSEL utilizzati come transceiver ottici sia nei sensori per applicazioni specifiche basati su laser VCSEL a singolo modo. I trasmettitori Philips PhotonicsVCSEL con emissione a 850 nm e velocità di trasmissione di 14 Gbps per canale sono forniti in versione singola o in serie da 4 o 12 elementi e hanno potenza di 6 mW con assorbimento in corrente di 12 mA e deriva termica in lunghezza d’onda di 0,07 nm/°C nell’intero range operativo da 0 a 80 °C, ma c’è anche una versione più robusta nella quale la potenza e la velocità di trasmissione sono limitate a 2,5 mW e 5 Gbps ma l’operatività è garantita da -40 a 90 °C.

VI Systems, Vertically Integrated Systems, è specializzata nei componenti ottici ad alta velocità fra cui soprattutto i laser a cavità verticale VCSEL. La società aderisce al progetto SepiaNet e al recente SPIE di San Francisco ha presentato un prototipo di VCSEL con lunghezza d’onda di 1320 nm molto adatto per le comunicazioni fra i sottosistemi dei grandi centri dati.

Fra i suoi laser VCSEL più recentemente introdotti troviamo il V10-1300M con emissione a 1300 nm, potenza di 1,1 mW e velocità di trasmissione di 12,5 Gbps, mentre il più potente V25-850C4 con emissione a 850 nm è composto da quattro laser alimentati insieme con non più di 5 mA per una potenza complessivamente erogata di ben 7 mW alla velocità di trasmissione di 28 Gbps per canale e con un’affidabilità garantita per almeno 6000 ore di funzionamento continuo anche nelle condizioni termiche più gravose fino a 95 °C. Questo laser è disponibile anche nella versione V25-850C12 con dodici laser VCSEL.

Lucio Pellizzari

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