Herausforderungen bei der Integration von Silizium-Photonik in PCB-Design

Die Silizium-Photonik wird dieselben Herstellungsprozesse nutzen, die auch bei Silizium-ICs verwendet werden

Es war mir eine Ehre, Richard Soref auf einer kürzlichen IEEE-Konferenz zu treffen und über den aktuellen Stand der elektronisch-photonsichen integrierten Schaltkreise (EPICs) zu diskutieren. Der Mann wird oft als „der Vater der Silizium-Photonik“ bezeichnet, und das aus gutem Grund. Wenn man ihn nett fragt, wird er einem erzählen, wie man alle grundlegenden Logikgatter als photonische Schaltkreise direkt auf Silizium bauen kann.

Jetzt ist ein Meilenstein für die Silizium-Photonik erreicht. Obwohl die Technologie schon seit Jahrzehnten existiert, steht sie nun kurz davor, stark kommerzialisiert zu werden und der breiten Masse zugänglich gemacht zu werden. Es gibt immer noch einige technische Herausforderungen zu bewältigen, bevor die Silizium-Photonik in Systeme integriert werden kann, die mit standardmäßigen elektronischen Komponenten betrieben werden.

Die Herausforderung von 100 Gbps+ in IC- und PCB-Design

Für diejenigen, die bis hierher gelesen haben und immer noch verwirrt sind, hier etwas Hintergrund: Photonische Schaltkreise sind Schaltungselemente, die ausschließlich mit Licht arbeiten. Diese Schaltkreise sind ein großes Thema in den Gemeinschaften der Optik- und Elektronikingenieure. Vor 12 Jahren sprachen Designer darüber, einzelne Verbindungen zu schaffen, die Daten mit 100 Gbps über Kupfer übertragen können.

Es wurde festgestellt, dass Kupfer Datenübertragungen mit 100 Gbps über kürzere Distanzen ermöglicht, während Glasfaser bei längeren Distanzen am besten funktioniert. Parallelisierung kann auch mit langsamerer Ausrüstung genutzt werden, um Datenraten auf 100 Gbps und 400 Gbps zu erhöhen. Die optische Ausrüstung, die für den Betrieb in einem 100 Gbps Netzwerk erforderlich ist, trägt sehr spezifische Designanforderungen und ist nicht universell mit allen elektronischen Komponenten kompatibel.

Probleme mit der elektrischen Signalintegrität in PCBs und ICs werden deutlicher und bemerkbarer, da die Datenrate steigt und somit die Signalanstiegszeit sinkt. Auf der IC-Ebene nehmen die Verzögerungszeiten der Verbindungen, die Ausbreitungsverzögerungszeiten und die Stärke des Übersprechens zu, je höher die Datenrate ist. Auf der PCB-Ebene werden Übersprechen, abgestrahlte und geleitete EMI und das thermische Management wichtige Überlegungen für das Hochgeschwindigkeitsdesign. Optische Komponenten bieten Lösungen mit höherer Bandbreite, die nicht unter den gleichen Problemen der Signalintegrität leiden, wie sie bei elektronischen Komponenten gefunden werden. Größere Parallelität im elektronischen IC-Design erfordert Lösungen mit höherer Bandbreite, die durch optische Komponenten bereitgestellt werden können.

Betreten Sie photonische integrierte Schaltkreise (PICs) und elektronisch-photonische integrierte Schaltkreise (EPICs). Der erstgenannte Schaltkreistyp ist darauf ausgelegt, vollständig mit Licht zu arbeiten, wobei eine große Anzahl photonischer Elemente in einem einzigen Paket integriert ist. Der letztgenannte Schaltkreistyp ist darauf ausgelegt, mit Licht zu arbeiten, aber elektronische Elemente können in diesen Schaltkreisen vorkommen. Daher können diese Schaltkreise auch mit standardmäßigen elektronischen Komponenten verbunden werden, abhängig von der Bandbreite der elektronischen Komponente.

Vielleicht fragen Sie sich, warum Photonik und warum auf Silizium? Die Reife der Siliziumgießerei- und Chipfertigungsfähigkeiten bedeutet, dass diese traditionellen Herstellungsprozesse sofort auf photonische Schaltkreise angepasst werden können. Wenn wir PICs oder EPICs in naher Zukunft sehen werden, werden sie höchstwahrscheinlich auf Silizium-Photonik-Technologie basieren.

In der Zukunft werden Sie wahrscheinlich diese ICs mit PICs und EPICs verbinden

Herausforderungen in der Silizium-Photonik für die Verwendung in PCBs

Das Tolle an Silizium ist, dass es bei Wellenlängen von 1550 nm transparent ist, sodass es sofort mit optischen Fasernetzwerkausrüstungen kompatibel ist, die bei 1550 nm arbeiten. Dies schafft ein weiteres Problem, da es in Silizium-Photonik-Systemen, die direkt aus Silizium hergestellt sind, keine Lichtquellen oder Detektoren gibt. Dies liegt daran, dass Silizium ein indirekter Bandlücken-Halbleiter ist.

Die Integration einer Lichtquelle und eines Detektors direkt auf einem Silizium-EPIC erfordert das Verbinden eines III-V-Halbleiters (z.B. InP, InGaAs) oder einer Ge-Schicht direkt auf Silizium. Das Verbinden von III-V-Materialien mit Silizium bringt eigene technische Herausforderungen mit sich und bleibt ein aktives Forschungsgebiet. Wenn jedoch die Betriebswellenlänge auf 2 Mikrometer verschoben wird, ist es möglich, relativ verlustarme monolithische Silizium-EPICs zu bauen, ohne ein III-V-Material zu verwenden. In beiden Fällen entstehen dadurch zwei Herausforderungen bei der Integration von Silizium-EPICs auf PCBs, um eine Schnittstelle mit elektronischen Komponenten herzustellen.

Wenn ein III-V-Material als Detektor und Lichtquelle verwendet wird, dann erfordert die Schnittstelle mit Glasfasernetzwerken eine Umwandlung zwischen 2 Mikrometer und 1550 nm Wellenlängen. Dies muss durch Platzieren eines standardmäßigen 1550 nm Transceivers irgendwo auf der Platine erfolgen. Die Bandbreite des III-V-Materials oder des Transceivers (je nachdem, welches kleiner ist) wird die begrenzende Datenrate in diesem Typ von System bestimmen.

Wenn die Wellenlänge im EPIC bei 1550 nm gehalten wird, erfordert dies das Platzieren von traditionellen Photodetektoren und schmalbandigen Infrarot-LED-Lichtquellen oder Laserdioden neben einem EPIC, was eine Herausforderung in der Montage und Fertigung darstellt. Diese Komponenten nehmen auch zusätzlichen Platz auf der Platine für jedes EPIC in Anspruch. Es bleibt abzuwarten, welche Strategie am besten für die Integration von EPICs auf PCBs geeignet sein wird. Jede Lichtquelle, die mit Silizium-EPICs verwendet wird, muss eine schnelle Reaktionszeit haben, um mit den schnellsten Elektronik-Logikfamilien kompatibel zu sein.

Der große Vorteil von Silizium-EPICs ist, dass das Schalten elektrisch durch Anlegen von Spannungsimpulsen an den Chip gesteuert werden kann. Dies ermöglicht es, externe Daten leicht in ein EPIC einzugeben und innerhalb des EPICs zu manipulieren. Die Tatsache, dass EPICs nicht unter den gleichen Problemen der Signalintegrität wie elektronische ICs leiden, ermöglicht es einem EPIC, für eine schnellere Datenverarbeitung verwendet zu werden, während es immer noch in der Lage ist, mit standardmäßigen elektronischen ICs zu interagieren. Die typischen Hochgeschwindigkeits-PCB-Designpraktiken für Elektronik können auch beim Integrieren von EPICs auf einem PCB befolgt werden.

Infrarot-LEDs

Die Silizium-Photonik zum Leben erwecken

Es gibt bereits eine Reihe von Open-Source-Toolsets für das Design von PICs und EPICs auf Si oder III-V-Materialien. Diese Komponentenentwürfe können dann an eine offene Gießerei gesendet und in kleinen Serien hergestellt werden. Normalerweise sind diese Serien Teil eines Multi-Projekt-Wafers (MPW), was es Komponentendesignern ermöglicht, eine kleine Anzahl von Prototypkomponenten herzustellen, während sie die Kosten mit anderen Designern teilen.

Neue Hochleistungslichtquellen, die in ihre eigenen PICs integriert sind (wie Multimode-Laser), sind ebenfalls ein wichtiges Forschungsthema und stehen kurz vor der frühen Kommerzialisierung. Forscher und Produktentwickler, die diese Komponenten entwerfen, können sie in ein angepasstes Evaluierungsboard integrieren und untersuchen, wie sie mit standardmäßigen Elektronik-ICs interagieren. All dies wird einen langen Weg zur Förderung der Annahme und weiteren Entwicklung der Siliziumphotonik gehen.

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