Défis de l'intégration de la photonique sur silicium dans la conception de PCB

La photonique sur silicium utilisera les mêmes procédés de fabrication que ceux utilisés dans les circuits intégrés (CI) en silicium

J'ai eu l'honneur de rencontrer Richard Soref lors d'une récente conférence de l'IEEE et de discuter de l'état actuel des circuits intégrés électroniques-photoniques (EPICs). Cet homme est souvent appelé « le Père de la Photonique sur Silicium », et ce, pour de bonnes raisons. Si vous lui demandez gentiment, il vous expliquera comment construire tous les portes logiques fondamentales en tant que circuits photoniques directement sur le silicium.

Nous vivons un moment charnière pour la photonique sur silicium. Bien que la technologie existe depuis des décennies, elle est sur le point d'être largement commercialisée et rendue accessible au grand public. Il reste toutefois quelques défis d'ingénierie à surmonter avant que la photonique sur silicium puisse être intégrée dans des systèmes fonctionnant avec des composants électroniques standards.

Le défi des 100 Gbps+ dans la conception de CI et de PCB

Pour ceux qui ont lu jusqu'ici et qui sont encore confus, voici un peu de contexte : les circuits photoniques sont des éléments de circuit qui fonctionnent uniquement avec de la lumière. Ces circuits sont un sujet majeur dans les communautés d'ingénierie en optique et en électronique. Il y a 12 ans, les concepteurs parlaient de créer des liens uniques capables de transférer des données à 100 Gbps sur du cuivre.

Il a été constaté que le cuivre permet un transfert de données à 100 Gbps sur de courtes distances, tandis que la fibre optique est plus adaptée pour les longues distances. La parallélisation peut également être utilisée avec des équipements plus lents pour augmenter les débits de données à 100 Gbps et 400 Gbps. L'équipement optique nécessaire pour fonctionner sur un réseau de 100 Gbps présente des exigences de conception très particulières et n'est pas universellement compatible avec tous les composants électroniques.

Les problèmes d'intégrité du signal électrique dans les PCBs et les ICs deviennent plus prononcés et perceptibles à mesure que le débit de données augmente, et donc le temps de montée du signal diminue. Au niveau de l'IC, les temps de retard d'interconnexion, les temps de retard de propagation et la force du diaphonie augmentent à mesure que le débit de données augmente. Au niveau du PCB, la diaphonie, l'EMI rayonnée et conduite, et la gestion thermique deviennent des considérations importantes de conception à haute vitesse. Les composants optiques offrent des solutions à plus large bande passante qui ne souffrent pas des mêmes problèmes d'intégrité du signal que ceux trouvés dans les composants électroniques. Un plus grand parallélisme dans la conception des IC électroniques nécessite des solutions à plus haute bande passante qui peuvent être fournies par des composants optiques.

Entrez dans le monde des circuits intégrés photoniques (PICs) et des circuits intégrés électroniques-photoniques (EPICs). Le premier type de circuit est conçu pour fonctionner entièrement avec la lumière, avec un grand nombre d'éléments photoniques intégrés dans un seul et même package. Le second type de circuit est conçu pour fonctionner avec la lumière, mais des éléments électroniques peuvent apparaître dans ces circuits. Par conséquent, ces circuits peuvent également s'interfacer avec des composants électroniques standards, en fonction de la bande passante du composant électronique.

Vous vous demandez peut-être, pourquoi la photonique, et pourquoi sur silicium ? La maturité des fonderies de silicium et des capacités de fabrication de puces signifie que ces processus de fabrication traditionnels peuvent être immédiatement adaptés aux circuits photoniques. Si nous devons voir apparaître des PICs ou des EPICs dans un avenir proche, ils seront très probablement construits sur la technologie photonique sur silicium.

À l'avenir, vous interfaceriez probablement ces CI avec des PICs et des EPICs

Les défis de la photonique sur silicium pour une utilisation dans les PCBs

L'avantage du silicium est qu'il est transparent à des longueurs d'onde de 1550 nm, il est donc immédiatement compatible avec l'équipement de réseau à fibre optique qui fonctionne à 1550 nm. Cela crée un autre problème en ce sens qu'il n'y a pas de sources de lumière ou de détecteurs dans les systèmes photoniques sur silicium fabriqués directement à partir de silicium. Cela est dû au fait que le silicium est un semi-conducteur à bande interdite indirecte.

Intégrer une source lumineuse et un détecteur directement sur un EPIC en silicium nécessite de lier une couche de semi-conducteur III-V (par exemple, InP, InGaAs) ou de Ge directement sur le silicium. Lier des matériaux III-V au silicium présente ses propres défis techniques et reste un domaine de recherche actif. Cependant, si la longueur d'onde de fonctionnement est décalée à 2 microns, il devient possible de construire des EPICs en silicium monolithiques relativement à faible perte sans utiliser de matériel III-V. Dans les deux cas, cela crée deux défis dans l'intégration des EPICs en silicium sur des PCBs pour interfacer avec des composants électroniques.

Si un matériel III-V est utilisé comme détecteur et source de lumière, alors l'interfaçage avec des réseaux à fibre optique nécessite de convertir entre les longueurs d'onde de 2 microns et de 1550 nm. Cela devra être réalisé en plaçant un transceiver standard de 1550 nm quelque part sur la carte. La bande passante du matériel III-V ou du transceiver (selon le plus petit des deux) déterminera lui-même le débit de données limitant dans ce type de système.

Si la longueur d'onde dans l'EPIC est maintenue à 1550 nm, cela nécessitera alors de placer des photodétecteurs traditionnels et des sources lumineuses infrarouges à bande étroite LED ou des diodes laser à côté d'un EPIC, ce qui représente un défi en termes d'assemblage et de fabrication. Ces composants occupent également un espace supplémentaire sur la carte pour chaque EPIC. Il reste à voir quelle stratégie sera la meilleure pour intégrer les EPICs sur les PCBs. Toute source lumineuse utilisée avec des EPICs en silicium doit avoir un temps de réponse rapide pour être compatible avec les familles de logique électroniques les plus rapides.

L'aspect remarquable des EPICs en silicium est que la commutation peut être contrôlée électriquement en appliquant des impulsions de tension sur la puce. Cela permet d'entrer facilement des données externes dans un EPIC et de les manipuler à l'intérieur de l'EPIC. Le fait que les EPICs ne souffrent pas des mêmes problèmes d'intégrité de signal électrique que les ICs électroniques permet à un EPIC d'être utilisé pour un traitement de données plus rapide tout en étant capable de s'interfacer avec des ICs électroniques standards. Les pratiques de conception de PCB à haute vitesse typiques pour l'électronique peuvent encore être suivies lors de l'intégration des EPICs sur un PCB.

LEDs infrarouges

Donner vie à la photonique sur silicium

Il existe déjà un certain nombre d'ensembles d'outils open source pour la conception de PICs et d'EPICs sur des matériaux Si ou III-V. Ces conceptions de composants peuvent ensuite être envoyées à une fonderie ouverte et fabriquées en petites séries. Normalement, ces séries font partie d'une tranche multi-projets (MPW), permettant aux concepteurs de composants de fabriquer un petit nombre de prototypes de composants tout en partageant les coûts avec d'autres concepteurs.

De nouvelles sources lumineuses de haute puissance qui sont intégrées dans leurs propres PICs (telles que les lasers multimodes), sont également un sujet de recherche majeur et sont au bord de la commercialisation précoce. Les chercheurs et les développeurs de produits concevant ces composants peuvent les intégrer dans une carte d'évaluation personnalisée et examiner comment ils s'interfacent avec les circuits intégrés électroniques standards. Tout cela contribuera grandement à favoriser l'adoption et le développement ultérieur de la photonique sur silicium.

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