Desafíos de la Integración de Fotónica de Silicio en el Diseño de PCB

La fotónica de silicio utilizará los mismos procesos de fabricación que se usan en los circuitos integrados (IC) de silicio

Tuve el honor de conocer a Richard Soref en una reciente conferencia de IEEE y discutir el estado actual de los circuitos integrados electrónicos-fotónicos (EPICs). A menudo se le llama "el Padre de la Fotónica de Silicio", y con buena razón. Si le preguntas amablemente, te dirá cómo construir todas las puertas lógicas fundamentales como circuitos fotónicos directamente sobre silicio.

Ahora es un momento histórico para la fotónica de silicio. Aunque la tecnología ha existido durante décadas, ahora está al borde de ser comercializada intensamente y puesta a disposición de las masas. Todavía hay algunos desafíos de ingeniería que superar antes de que la fotónica de silicio pueda integrarse en sistemas que funcionen con componentes electrónicos estándar.

El desafío de 100 Gbps+ en diseño de IC y PCB

Para aquellos que han leído hasta aquí y todavía están confundidos, aquí hay algo de contexto: los circuitos fotónicos son elementos de circuito que operan utilizando solo luz. Estos circuitos son un tema importante en las comunidades de ingeniería óptica y electrónica. Hace 12 años, los diseñadores hablaban de crear enlaces individuales que puedan transferir datos a 100 Gbps sobre cobre.

Se descubrió que el cobre permite la transferencia de datos a 100 Gbps en distancias más cortas, mientras que la fibra funciona mejor a distancias más largas. La paralelización también puede utilizarse con equipos más lentos para aumentar las tasas de datos a 100 Gbps y 400 Gbps. El equipo óptico requerido para operar en una red de 100 Gbps lleva requisitos de diseño muy particulares y no es universalmente compatible con todos los componentes electrónicos.

Los problemas de integridad de señal eléctrica en PCBs e ICs se vuelven más prominentes y notorios a medida que aumenta la tasa de datos, y por lo tanto, el tiempo de subida de la señal disminuye. A nivel de IC, los tiempos de retraso de interconexión, los tiempos de retraso de propagación y la fuerza del diafonía aumentan a medida que aumenta la tasa de datos. A nivel de PCB, la diafonía, la EMI radiada y conducida, y la gestión térmica se convierten en consideraciones importantes de diseño de alta velocidad. Los componentes ópticos ofrecen soluciones de mayor ancho de banda que no sufren de los mismos problemas de integridad de señal encontrados en los componentes electrónicos. Un mayor paralelismo en el diseño de IC electrónicos requiere soluciones de mayor ancho de banda que pueden ser proporcionadas por componentes ópticos.

Introduzca los circuitos integrados fotónicos (PICs) y los circuitos integrados electrónicos-fotónicos (EPICs). El primer tipo de circuito está diseñado para operar enteramente con luz, con un gran número de elementos fotónicos integrados en un único paquete. El segundo tipo de circuito está diseñado para operar utilizando luz, pero puede incluir elementos electrónicos. Por lo tanto, estos circuitos también pueden interfazarse con componentes electrónicos estándar, dependiendo del ancho de banda del componente electrónico.

Podrías estar preguntándote, ¿por qué fotónica, y por qué en silicio? La madurez de la fundición de silicio y las capacidades de fabricación de chips significa que estos procesos de fabricación tradicionales pueden adaptarse inmediatamente a circuitos fotónicos. Si vamos a ver PICs o EPICs pronto, lo más probable es que estén construidos sobre tecnología de fotónica de silicio.

En el futuro, probablemente interfazearás estos ICs con PICs y EPICs

Desafíos en la Fotónica de Silicio para su Uso en PCBs

Lo grandioso del silicio es que es transparente a longitudes de onda de 1550 nm, por lo que es inmediatamente compatible con el equipo de red de fibra óptica que opera a 1550 nm. Esto crea otro problema en el sentido de que no hay fuentes de luz o detectores en los sistemas de fotónica de silicio hechos directamente de silicio. Esto se debe a que el silicio es un semiconductor de banda indirecta.

Integrar una fuente de luz y un detector directamente en un EPIC de silicio requiere unir un semiconductor III-V (por ejemplo, InP, InGaAs) o una capa de Ge directamente sobre el silicio. Unir materiales III-V al silicio presenta sus propios desafíos técnicos y sigue siendo un área activa de investigación. Sin embargo, si la longitud de onda operativa se cambia a 2 micrones, se hace posible construir EPICs de silicio monolíticos con pérdidas relativamente bajas sin el uso de un material III-V. En cualquier caso, esto crea dos desafíos al integrar EPICs de silicio en PCBs para interfaz con componentes electrónicos.

Si se utiliza un material III-V como detector y fuente de luz, entonces la interfaz con redes de fibra óptica requiere convertir entre longitudes de onda de 2 micrones y 1550 nm. Esto necesitará hacerse colocando un transceptor estándar de 1550 nm en algún lugar de la placa. El ancho de banda del material III-V o del transceptor (el que sea menor) determinará la tasa de datos límite en este tipo de sistema.

Si la longitud de onda en el EPIC se mantiene en 1550 nm, entonces esto requerirá colocar fotodetectores tradicionales y fuentes de luz LED infrarroja de banda estrecha fuentes de luz LED o diodos láser junto a un EPIC, lo que presenta un desafío en el ensamblaje y la fabricación. Estos componentes también ocupan espacio adicional en la placa para cada EPIC. Aún está por verse cuál estrategia será la mejor para integrar EPICs en PCBs. Cualquier fuente de luz que se use con EPICs de silicio debe tener un tiempo de respuesta rápido para ser compatible con las familias de lógica electrónicas más rápidas.

El gran aspecto de los EPICs de silicio es que el conmutado puede ser controlado eléctricamente aplicando pulsos de voltaje al chip. Esto permite que los datos externos sean fácilmente ingresados a un EPIC y manipulados dentro del EPIC. El hecho de que los EPICs no sufran de los mismos problemas de integridad de señal eléctrica que los ICs electrónicos permite que un EPIC sea utilizado para el procesamiento de datos más rápido mientras sigue siendo capaz de interfaz con ICs electrónicos estándar. Las prácticas típicas de diseño de PCB de alta velocidad para electrónica aún pueden ser seguidas al integrar EPICs en un PCB.

LEDs Infrarrojos

Trayendo la Fotónica de Silicio a la Vida

Ya existen varios conjuntos de herramientas de código abierto para diseñar PICs y EPICs en materiales de Si o III-V. Estos diseños de componentes pueden enviarse luego a una fundición abierta y fabricarse en tiradas cortas. Normalmente, estas tiradas son parte de un wafer de múltiples proyectos (MPW), lo que permite a los diseñadores de componentes fabricar un pequeño número de componentes prototipo mientras comparten los costos con otros diseñadores.

Nuevas fuentes de luz de alta potencia que se integran en sus propios PICs (como los láseres multimodo), también son un importante tema de investigación y están al borde de la comercialización temprana. Los investigadores y desarrolladores de productos que diseñan estos componentes pueden integrarlos en una placa de evaluación personalizada y examinar cómo se interfazan con los ICs electrónicos estándar. Todo esto contribuirá en gran medida a avanzar en la adopción y el desarrollo adicional de la fotónica de silicio.

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