Innovative solutions for high-bit rate backplane based datacom interconnection

The present doctoral dissertation aims at finding innovative solutions for the realization of an optical backplane characterized by high capacity interconnections and low energy consumption. Electrical copper based backplanes have been the solution adopted so far, but with growing bit rates, beyond 10 Gbit/s, they can hardly fulfill the above mentioned requirements. The proposed idea is to move towards an optical backplane, where interconnections between electrical cards or servers (connected to the backplane) are realized with optical links, through a mesh of optical fibers. A preliminary comparison between standard electrical backplanes and a fiber-based optical one has been carried out in order to estimate the advantages in terms of power consumption and capacity at increasing bit-rate. A practical solution for a fiber-based optical backplane has then been designed. In order to realize a cost-effective full mesh interconnection, different topologies of fiber layout have been taken into consideration and cost-effective, energy efficient solution for the optical transmitter and receiver sides has been selected. In particular, a first prototype of the optical backplane will be based on directly modulated Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) and multimode optical links at 850 nm. Optical data links should also guarantee a complete transmission transparency in the interconnection with the external network, i.e. a traveling signal should be allowed to pass through the backplane network on a determined internal link without any need of opto-electrical (OE), electro-optical (EO) conversion and processing. Under this hypothesis, very high bit rate optical signals also with complex modulation formats and multiplexing (for example in wavelength or in polarization) should be able to be transferred throughout the fiber-based optical backplane. In this configuration, input/output signals will presumably travel in a single-mode fiber (SMF) coming from or going towards the external network. The employment of center-launching technique has thus been considered to guarantee single mode propagation through the multimode fiber-based optical backplane. Center-launching robustness to mechanical perturbations up to 1kHz, have been experimentally investigated in a multimode fiber link with VCSEL sources, proving error-free transmission. In order to increase the capacity and improving the power efficiency of the whole system, we addressed the most up-to-date technologies, like VCSEL and Silicon Photonics, for the EO transceivers and their evolution for backplane-based interconnections. We will focus the attention on modulation formats as a way of increasing the link total capacity, maintaining the same number of optical interconnections. For both technologies, a performance simulative analysis of standard On-Off-Keying (OOK) and M-Pulse Amplitude Modulation (M-PAM) is reported. Furthermore, a power consumption comparison between 4-PAM and Non-Return-to-Zero (NRZ) OOK has been discussed in order to highlight the different performances and limitations for VCSEL-based and Silicon Photonics-based links.

Questa tesi di dottorato riguarda lo studio di possibili soluzioni innovative per la realizzazione di un backplane ottico che possa gestire interconnessioni ad alta capacita' garantendo contemporaneamente basso consumo di energia. Fino ad ora sono stati impiegati backplanes basati su piste elettriche in rame. Con la continua richiesta di aumento della capacita' trasmissiva, oltre i 10 Gb/s, difficilmente questi possono soddisfare i requisiti sopra citati. L' idea che viene sviluppata e proposta in questo lavoro di tesi e' quella di passare all'utilizzo di un backplane ottico, dove le interconnessioni tra le schede o servers (connessi al backplane) sono realizzate con fibre ottiche. Per valutare i vantaggi all'aumentare della capacita' trasmissiva (aumento del bit rate) e in termini di consumo di potenza, e' stato effettuato un confronto preliminare tra un backplane elettrico standard e un backplane basato su fibre ottiche. Successivamente e' stato progettato, analizzando tutte le fasi necessarie per la realizzazione reale fisica, un backplane con fibre ottiche. Per poter realizzare una connessione punto-punto tra tutte le schede connesse al backplane, diverse configurazioni su come distribuire le fibre ottiche sul backplane sono state prese in considerazione. Per la parte di trasmissione e ricezione sono state selezionati componenti a basso consumo di energia e costo. In particolare, per il primo prototipo di backplane ottico sono stati utilizzati sorgenti Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) modulate direttamente e collegamenti ottici multimodo a 850nm. I collegamenti ottici devono anche garantire una completa trasparenza dei dati trasmessi, per esempio un segnale proveniente da una rete esterna deve poter passare attraverso un determinato collegamento interno sul backplane senza la necessita' di effettuare una conversione elettro/ottica (EO) o ottico/elettrica (OE). Sotto questa ipotesi, segnali ad altissimo bit rate e anche con formati di modulazione complessi e multiplazione (per esempio, in lunghezza d' onda o in polarizzazione) devono essere in grado di essere trasportati attraverso il backplane costituito con fibre ottiche senza problemi. In questo contesto i segnali di ingresso/uscita viaggiano presumibilmente in una fibra singolo modo proveniente da o diretta verso una rete esterna. Pertanto e' stata presa in considerazione la tecnica di ''center-launching'' per garantire la propagazione singolo modo nel backplane costituito da fibre ottiche multimodo. Inoltre, la stabilita' della tecnica di ''center-launching'' a vibrazioni meccaniche fino a 1KHz, e' stata sperimentalmente testata, ottenendo una trasmissione senza errori. Nell' ambito di applicazioni che impiegano il backplane, per poter aumentare la capacita' trasmissiva e migliorare il consumo di potenza dell'intero sistema, abbiamo puntato la nostra attenzione sui transceivers e una loro possibile evoluzione, analizzando due tecnologie molto attuali come il VCSEL e la Silicon Photonics. In particolare ci siamo concentrati sullo studio dei formati di modulazione come un modo per poter aumentare la capacita' totale del singolo collegamento, mantenendo lo stesso numero di interconnessioni ottiche. Per entrambe le technologie, simulazioni relative alle prestazioni trasmissive di On-Off-Keying (OOK) and M-Pulse Amplitude Modulation (M-PAM) sono state effettuate. Inoltre, un confronto in termini di consumo di potenza tra 4-PAM e Non-Return-to-Zero (NRZ) OOK e' stato discusso con lo scopo di identificare limiti e prestazioni di collegamenti che usano tecnologia VCSEL e Silicon Photonics.