800G-optische Transceiver: Simulationsgetriebene Innovationen für Netzwerke der nächsten Generation

Despoina, was sind die wichtigsten Herausforderungen beim Überschreiten der 800G-Übertragungsrate in optischen Transceivern?

Wenn wir über 800G in optischen Kommunikationssystemen hinausgehen, wird es immer schwieriger, die Anforderungen an die Transceiver-Leistung zu erfüllen. Die Haupttreiber – KI-Anwendungen, High-Performance-Computing, Cloud-Infrastruktur – treiben die Bandbreitenanforderungen an ihre physikalischen Grenzen. Das bedeutet, dass Geräte extrem hohe Datenraten unterstützen müssen, dabei aber energieeffizient und kompakt bleiben sollen.

Eine der größten Herausforderungen ist, dass wir nicht nur schnelle Modulatoren brauchen – sie müssen zuverlässig auf kleiner Fläche arbeiten, mit geringem Energieverbrauch und oft in komplexen, ko-integrierten Systemen. Bei diesen Geschwindigkeiten muss selbst die kleinste Komponente, zum Beispiel ein Koppler oder Wellenleiter, hochoptimiert sein. Man entwirft nicht mehr nur ein Gerät für Leistung, sondern für Leistung und Systemintegration, thermische Stabilität, Fertigungsrobustheit und Skalierbarkeit der Fertigung.

Das führt zu einem Wandel im Design-Thinking: Statt einzelne Geräte zu optimieren, müssen wir in kompletten Ökosystemen denken – also RF, Photonik, Elektronik und Packaging in einem eng gekoppelten Designprozess.

In Ihrer Präsentation sprechen Sie über verschiedene Ansätze im Transceiver-Design. Welche Ideen stecken dahinter?

Ja, ich habe in meiner Präsentation mehrere Ansätze vorgestellt. Die Wahrheit ist: Es gibt keine Einheitslösung für Transceiver der nächsten Generation. Siliziumphotonik ist zwar bis 800G eine sehr leistungsfähige Plattform, aber darüber hinaus werden neue Materialien wahrscheinlich notwendig.

Zum Beispiel sehen wir bei der Optimierung von Siliziummodulatoren einen typischen Zielkonflikt: Eine höhere Bandbreite führt oft zu mehr optischem Verlust. Das liegt am Plasma-Dispersionseffekt in Silizium, der durch freie Ladungsträger Verluste verursacht.

Deshalb sind neue Materialien wie Lithiumniobat für ultra-hohe Geschwindigkeiten attraktiv. Sie bieten hohe Bandbreite bei geringem Verlust. Ich glaube, die Zukunft liegt in hybriden Systemen: Neue Materialien wie Lithiumniobat auf Silizium integrieren oder verschiedene Funktionen gemeinsam verpacken. Silizium bleibt essenziell – nicht nur für den photonischen Kern, sondern wegen seiner Kompatibilität mit CMOS-Elektronik (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Das ermöglicht die monolithische Integration von Treibern und Modulatoren, reduziert die Baugröße und verbessert die Energieeffizienz. Statt eine Technologie auszuwählen, sollten wir überlegen, wie sich verschiedene Technologien ergänzen können.

Was sind die wirklichen Vorteile der Siliziumphotonik bei der Entwicklung von Transceivern? 

Siliziumphotonik bietet mehrere entscheidende Vorteile, besonders aus Sicht von System und Fertigung. Erstens nutzt sie die bestehende Halbleiterinfrastruktur. Silizium-Labs sind ausgereift, kosteneffizient und liefern reproduzierbar hohe Ausbeuten. Dadurch lassen sich großflächige photonische integrierte Schaltungen auf 300-mm-Siliziumwafern herstellen. Dieser Industriestandard ermöglicht eine hocheffiziente Skalierung bei deutlich reduzierten Stückkosten.

Zweitens ermöglicht Siliziumphotonik eine hohe Integrationsdichte durch den hohen Brechungsindex-Kontrast. Das erlaubt sehr kompakte Geräte und komplexe Leitungsführung auf kleiner Fläche – entscheidend für Co-Packaging und Module der nächsten Generation.

Drittens – und vielleicht am wichtigsten – erlaubt Siliziumphotonik die nahtlose Integration mit CMOS-Elektronik. Man kann Modulatoren, Photodetektoren, Verstärker und Treiber monolithisch auf einem Chip integrieren. Das verbessert die Systemleistung drastisch, reduziert Verluste und Latenz, und vereinfacht das Packaging. Das sind Faktoren, die oft zu Engpässen in Hochgeschwindigkeitssystemen führen.

Welche Rolle spielte der Einsatz von Simulationstools zum Beispiel bei Entscheidungen bezüglich des Setups von Transceivern?

Simulation ist absolut essenziell in unserer Arbeit. Transceiver sind hochkomplexe Systeme, und jede einzelne Komponente, ob Modulator, Koppler oder Photodetektor, muss für die Anwendung optimiert werden. Wir können uns nicht auf Blackbox-Modelle von Foundries verlassen, wenn wir Leistungsgrenzen ausreizen wollen.

Bei Adtran simulieren wir jede Komponente von Grund auf: Wellenleitergeometrien, Dotierungsprofile, elektro-optische Eigenschaften, RF-Verhalten und thermische Effekte. Zum Beispiel nutzen wir bei der Modulatorentwicklung Ansys Lumerical und HFSS, um optische und RF-Leistung zu simulieren. So bewerten wir Kennzahlen wie Einfügedämpfung, Bandbreite, Effizienz und thermische Empfindlichkeit – alles noch vor der Fertigung.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Einfluss von Toleranzen. Selbst bei den besten Designs gibt es immer Abweichungen zwischen Simulation und Messung durch Fertigungstoleranzen. Gute Simulationsmodelle helfen, diese Abweichungen zu verstehen und robuste Geräte zu entwickeln, die auch bei kleinen Fehlern gut funktionieren. Kurz gesagt: Simulation ermöglicht besseres, schnelleres und zuverlässigeres Design. Sie reduziert Risiken, verkürzt die Markteinführungszeit und verbessert Entscheidungen im gesamten Entwicklungszyklus.

Welche Rolle spielen Ansys und CADFEM beim Design von Transceiver-Systemen?

Das Ökosystem CADFEM-Ansys bietet uns einen enormen Mehrwert, weil es eine einheitliche Umgebung schafft, in der verschiedene Bereiche – Photonik, RF, Elektronik, Thermik und Packaging – gemeinsam entworfen und optimiert werden können. Genau das brauchen wir in einem Feld, in dem interdisziplinäre Integration unverzichtbar ist.

Ein Beispiel: Eine Änderung im RF-Layout kann die Bandbreite des Modulators beeinflussen, das wiederum verändert die thermische Verteilung im Gehäuse. Mit den Ansys Tools können wir all diese Aspekte zusammenführen – photonische Simulation, elektrische Modellierung, thermische Analyse, und das gesamte System an einem Ort bewerten. Das spart Zeit, erhöht die Genauigkeit und verbessert die Zusammenarbeit zwischen Teams.

Zusätzlich ermöglichen Tools wie Lumerical INTERCONNECT den Aufbau vollständiger Transceiver-Modelle inklusive Modulationsformaten wie 16-QAM sowie die Bewertung der Systemleistung vor dem Tape-Out. Das macht den Entwicklungsprozess viel vorhersehbarer und gibt uns Sicherheit, dass wir auf ein funktionales, skalierbares Produkt hinarbeiten.

Zusammengefasst: Das Ökosystem CADFEM-Ansys erlaubt uns nicht nur die Simulation einzelner Geräte, sondern das Design kompletter Systeme. Und in der heutigen Welt komplexer, hochintegrierter photonischer Plattformen ist das genau das, was wir brauchen.