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Energy efficient oxide confined VCSELs for optical interconnects in data centers and supercomputers
Moser, Philip
Diese Arbeit stellt die erste systematische Analyse der dynamischen Energieeffizienz von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern (vertical-cavity surface-emitting lasers, VCSELs) für optische Datenverbindungen dar. Energieeffiziente VCSEL sind eine Schlüsselkomponente, um die Herausforderung des exponentiell wachsenden Energieverbrauchs von Datenzentren, durch energieeffiziente optische Datenverbindungen zu lösen. Energieeffiziente Datenkommunikation ist eines der wichtigsten Felder der “Grünen Photonik”. Allgemeingültige Regeln, wie energieeffiziente Datenübertragung mit Oxidapertur-VCSELn aller Wellenlängen erreicht werden kann, werden durch systematische Analyse der statischen und dynamischen Bauelementeigenschaften verschiedener bei 850 nm und 980 nm emittierender VCSEL-Designs in dieser Arbeit erstmals hergeleitet. Verifizierung dieser Regeln mit Datenübertragungsexperimenten führte zur rekordeffizienten Datenübertragung mit 56 fJ/bit bei 25 Gb/s bei Raumtemperatur. Im Rahmen der Dissertation wurde energieeffizienter Betrieb von VCSELn auch bei hohen Bitraten bis zu 40 Gb/s und über lange Multimodefaserstrecken von bis zu 1000 m und einer Bitrate von 25 Gb/s demonstriert. Über 5 m Multimodefaser wurden 46 Gb/s bei 85°C und 50 Gb/s bei 25°C mit Rekordmodulationsbandbreiten von 24.7 und 23.0 GHz bei 25 und 85°C erzielt. Ein Hauptergebnis dieser Arbeit ist, dass die zukünftigen Anforderungen bezüglich Energieeffizienz, Bitrate und Temperaturstabilität von VCSELn erreicht werden können. Um alle diese Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen, müssen die VCSEL Oxidaperturdurchmesser von 3-5 µm besitzen und bei niedrigen Stromdichten betrieben werden. Vor dieser Dissertationsarbeit lag der Hauptfokus der Erforschung und Entwicklung von VCSELn mit Oxidaperturen auf größere Aperturdurchmesser von 7-10 µm, wie sie auch zur Zeit in kommerziellen optischen Datenverbindungen eingesetzt werden, da diese Durchmesser üblicherweise die größten Modulationsbandbreiten erreichten. Es wurde allgemein angenommen, dass VCSEL mit solch großen Aperturdurchmessern in zukünftigen optischen Datenverbindungen eingesetzt werden müssen, um den zukünftigen Bedarf an Bandbreite zu decken. Diese Dissertation hat demonstriert, dass VCSEL mit solch großen Aperturdurchmessern nicht für energieeffizienten Betrieb geeignet sind, insbesondere nicht bei den benötigten hohen Bitraten, hohen Temperaturen und niedrigen Stromdichten. Für solche VCSEL existieren Trade-offs zwischen der Energieeffizienz und allen anderen zu erreichenden Bauelementeigenschaften. Diese Arbeit demonstriert, dass VCSEL mit kleinerem Aperturdurchmesser energieeffizienter sind als gleichartige VCSEL mit größeren Aperturdurchmessern. Bei den niedrigen Stromdichten, die für zuverlässige kommerzielle Anwendung verlangt wird, sind VCSEL mit kleinerem Aperturdurchmesser gleichzeitig schneller und wesentlich energieeffizienter als VCSEL mit größerem Aperturdurchmesser und die Modulationsbreite sowie die Energieeffizienz sind gleichzeitig wesentlich temperaturstabiler. Dieser Paradigmenwechsel hat auch zu Arbeiten an der Verbesserung der Energieeffizienz durch kleinere Aperturdurchmesser in anderen Forschungsgruppen geführt. In dieser Arbeit wird der Modulationsfaktor M eingeführt, um die Eignung und das Potential verschiedener VCSEL und VCSEL-Designs für die Anwendung in verschiedenen Technologien der optischen Datenverbindung zu untersuchen. M ist äquivalent zur spektralen Effizienz der Informationstheorie, die die maximale Kapazität oder Bitrate eines Informationskanals mit der Modulationsbandbreite der VCSEL verknüpft und als freier Parameter, der verschiedene Technologien repräsentiert, variiert werden kann. Für gegebene M-Faktoren lässt sich der Energieverbrauch pro Bit anhand der intrinsischen VCSEL-Eigenschaften für eine bestimmte Bitrate für verschiedene optische Datenverbindungstechnologien berechnen. Diese neue Methode erlaubt es Designern von optischen Datenverbindungen, die auf dem Systemlevel arbeiten, VCSEL in ihren Modellen zu berücksichtigen und die optimale Konfiguration optischer Datenverbindungen mit maximaler Energieeffizienz zu bestimmen, die gleichzeitig alle Anforderung der jeweiligen Anwendung erfüllt.
This dissertation provides the first systematic analysis of the dynamic energy efficiency of vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) for optical interconnects. Energy-efficient VCSELs are the key component to address the pressing ecological and economic issues of the exponentially growing energy consumption in data centers via energy-efficient optical interconnects. Energy-efficient data communication is one of the most important fields in “Green Photonics” enabling higher bit rates at significantly reduced energy consumption per bit.
General rules of how to achieve energy-efficient data transmission with VCSELs are derived by the systematic investigation of the static and dynamic VCSEL properties of different oxide-confined VCSEL designs emitting at 850-nm and 980-nm. These rules are applicable to all oxide-confined VCSELs of any wavelength. The derived rules are verified via data transmission experiments leading to record energy-efficient error-free data transmission at room temperature of 56 fJ/bit at 25Gb/s. It is demonstrated that energy-efficient operation can also be achieved at high bit rates up to 40 Gb/s and across long multimode fiber transmission distances of up to 1000m at 25Gb/s, and over distances of 5m at 46 Gb/s at 85◦C and 50 Gb/s at 25◦C with record VCSEL modulation bandwidths of 24.7 and 23.0GHz at 25 and 85◦C, respectively. One main conclusion of this work is that the future required performance goals in terms of energy efficiency, bit rate, and temperature stability can be achieved with oxide-confined VCSELs. In order to achieve these goals simultaneously, the VCSELs must have small oxide-aperture diameters of 3-5 μm and must be operated at low current densities.
Prior to this dissertation work the main focus of oxide-confined VCSEL research was on VCSELs with larger oxide-aperture diameters of 7-10 μm as these devices are currently employed in commercial optical interconnects, because these oxide-aperture diameters typically yield the largest modulation bandwidths. It has been the conventional wisdom that in order to meet the future bandwidth demands such large oxide-aperture diameter VCSELs will be used in future optical interconnects. In this dissertation it is demonstrated that such large oxide-aperture diameter VCSELs are not suited for energy-efficient operation especially not at the required high bit rates and at high ambient temperatures and low current densities. For those VCSELs trade-offs between energy efficiency and all other performance goals exist. This dissertation work demonstrates that VCSELs with smaller oxide-aperture diameters are more energy-efficient than similar VCSELs with larger oxide-aperture diameters. At the required low current densities for reliable commercial application small oxide-aperture diameter VCSELs are simultaneously faster and significantly more energy-efficient than similar VCSELs with larger oxide-aperture diameters and the modulation bandwidth and energy efficiency are more temperature stable as well. This paradigm change has stimulated the work of other groups on the energy efficiency of VCSELs with smaller oxide-aperture diameters.
In order to investigate the suitability and potential for different VCSELs and VCSEL designs in different optical interconnect technologies, the modulation factor M is introduced. M is the equivalent to the spectral efficiency from Information Theory, relating the maximum channel capacity or bit rate of the system to the modulation bandwidth of the VCSEL. M is as a free parameter representing different optical interconnect systems technologies. By assuming certain M-factor values, the energy consumption per bit can be calculated from the measured intrinsic VCSEL properties for different VCSELs at given bit rates employed in different optical interconnect technologies. This new method allows optical interconnect designers on the systems level to include VCSELs into their models and predict the optimum optical interconnect technology operating at maximum energy efficiency and simultaneously fulfilling the performance goals required by the specific application.
