Sfide dell'integrazione della fotonica del silicio nel design dei PCB

La fotonica su silicio utilizzerà gli stessi processi di fabbricazione usati nei circuiti integrati di silicio

Ho avuto l'onore di incontrare Richard Soref in una recente conferenza IEEE e discutere dello stato attuale dei circuiti integrati elettronico-fotonici (EPICs). L'uomo è spesso chiamato "il Padre della Fotonica su Silicio", e per una buona ragione. Se glielo chiedete gentilmente, vi dirà come costruire tutti i principali cancelli logici come circuiti fotonici direttamente sul silicio.

Questo è un momento storico per la fotonica su silicio. Sebbene la tecnologia esista da decenni, è ora sull'orlo di essere fortemente commercializzata e resa disponibile alle masse. Ci sono ancora alcune sfide ingegneristiche da superare prima che la fotonica su silicio possa essere integrata in sistemi che funzionano con componenti elettronici standard.

La sfida dei 100 Gbps+ nel Design di IC e PCB

Per coloro che hanno letto fino a qui e sono ancora confusi, ecco un po' di contesto: i circuiti fotonici sono elementi di circuito che operano utilizzando solo la luce. Questi circuiti sono un argomento importante nelle comunità di ingegneria ottica ed elettronica. 12 anni fa, i progettisti parlavano di creare collegamenti singoli in grado di trasferire dati a 100 Gbps su rame.

Si è scoperto che il rame consente il trasferimento dati a 100 Gbps su distanze più corte, mentre la fibra funziona meglio su distanze più lunghe. La parallelizzazione può essere utilizzata anche con apparecchiature più lente per aumentare i tassi di trasmissione dati a 100 Gbps e 400 Gbps. L'attrezzatura ottica necessaria per operare su una rete a 100 Gbps presenta requisiti di progettazione molto particolari e non è universalmente compatibile con tutti i componenti elettronici.

I problemi di integrità del segnale elettrico in PCB e IC diventano più evidenti e notevoli all'aumentare del tasso di trasmissione dati, e quindi al diminuire del tempo di salita del segnale. A livello di IC, i tempi di ritardo dell'interconnessione, i tempi di ritardo della propagazione e la forza del diafonia aumentano all'aumentare del tasso di trasmissione dati. A livello di PCB, la diafonia, l'EMI irradiata e condotta, e la gestione termica diventano considerazioni importanti per la progettazione ad alta velocità. I componenti ottici offrono soluzioni a larghezza di banda più elevata che non soffrono degli stessi problemi di integrità del segnale riscontrati nei componenti elettronici. Un maggiore parallelismo nella progettazione di IC elettronici richiede soluzioni a larghezza di banda più elevata che possono essere fornite dai componenti ottici.

Inserisci i circuiti integrati fotonici (PIC) e i circuiti integrati elettronico-fotonici (EPIC). Il primo tipo di circuito è progettato per operare interamente con la luce, con un gran numero di elementi fotonici integrati in un unico pacchetto. Il secondo tipo di circuito è progettato per operare utilizzando la luce, ma possono apparire elementi elettronici in questi circuiti. Pertanto, questi circuiti possono anche interfacciarsi con componenti elettronici standard, a seconda della larghezza di banda del componente elettronico.

Potresti chiederti, perché la fotonica, e perché su silicio? La maturità delle fonderie di silicio e delle capacità di fabbricazione dei chip significa che questi processi di produzione tradizionali possono essere immediatamente adattati ai circuiti fotonici. Se vedremo PIC o EPIC nel prossimo futuro, molto probabilmente saranno costruiti sulla tecnologia fotonica su silicio.

In futuro, probabilmente interfaccerai questi IC con PIC e EPIC

Sfide nella Fotonica su Silicio per l'Uso nei PCB

La grande cosa del silicio è che è trasparente a lunghezze d'onda di 1550 nm, quindi è immediatamente compatibile con le apparecchiature di rete a fibre ottiche che funzionano a 1550 nm. Questo crea un altro problema in quanto non ci sono sorgenti luminose o rilevatori nei sistemi fotonici su silicio realizzati direttamente dal silicio. Questo è dovuto al fatto che il silicio è un semiconduttore a banda proibita indiretta.

Integrare una sorgente luminosa e un rivelatore direttamente su un EPIC di silicio richiede il bonding di un semiconduttore III-V (ad esempio, InP, InGaAs) o di uno strato di Ge direttamente sul silicio. Il bonding di materiali III-V al silicio presenta le proprie sfide tecniche e rimane un'area attiva di ricerca. Tuttavia, se la lunghezza d'onda operativa viene spostata a 2 micron, diventa possibile costruire EPIC di silicio monolitici relativamente a bassa perdita senza l'uso di un materiale III-V. In entrambi i casi, ciò crea due sfide nell'integrare gli EPIC di silicio su PCB per interfacciarsi con componenti elettronici.

Se un materiale III-V viene utilizzato come rivelatore e sorgente luminosa, allora interfacciarsi con reti a fibra ottica richiede la conversione tra lunghezze d'onda di 2 micron e 1550 nm. Questo dovrà essere fatto posizionando un trasmettitore standard a 1550 nm da qualche parte sulla scheda. La larghezza di banda del materiale III-V o del trasmettitore (quello che è minore) determinerà il tasso di dati limite in questo tipo di sistema.

Se la lunghezza d'onda nell'EPIC viene mantenuta a 1550 nm, ciò richiederà di posizionare accanto a un EPIC tradizionali fotodetettori e sorgenti luminose a LED infrarossi a banda stretta o diodi laser, il che rappresenta una sfida nell'assemblaggio e nella produzione. Questi componenti occupano anche spazio aggiuntivo sulla scheda per ogni EPIC. Resta da vedere quale strategia sarà la migliore per integrare gli EPIC sui PCB. Qualsiasi sorgente luminosa utilizzata con gli EPIC in silicio deve avere un tempo di risposta rapido per essere compatibile con le famiglie di logica elettronica più veloci.

Il grande aspetto degli EPIC in silicio è che la commutazione può essere controllata elettricamente applicando impulsi di tensione al chip. Ciò consente di inserire facilmente dati esterni in un EPIC e di manipolarli all'interno dell'EPIC. Il fatto che gli EPIC non soffrano degli stessi problemi di integrità del segnale elettrico degli IC elettronici consente a un EPIC di essere utilizzato per l'elaborazione dei dati più velocemente pur essendo in grado di interfacciarsi con gli IC elettronici standard. Le pratiche tipiche di progettazione di PCB ad alta velocità per l'elettronica possono ancora essere seguite quando si integrano gli EPIC su un PCB.

LED infrarossi

Portare la Fotonica in Silicio alla Vita

Esistono già numerosi set di strumenti open source per la progettazione di PICs e EPICs su materiali Si o III-V. Questi disegni dei componenti possono poi essere inviati a una fonderia aperta e prodotti in piccole serie. Normalmente, queste serie fanno parte di un wafer multi-progetto (MPW), permettendo ai progettisti dei componenti di fabbricare un piccolo numero di componenti prototipo condividendo i costi con altri progettisti.

Nuove sorgenti luminose ad alta potenza che sono integrate nei propri PICs (come i laser multimodali), sono anche un importante argomento di ricerca e sono sull'orlo della commercializzazione precoce. I ricercatori e gli sviluppatori di prodotti che progettano questi componenti possono integrarli in una scheda di valutazione personalizzata ed esaminare come si interfacciano con gli IC elettronici standard. Tutto ciò contribuirà notevolmente a promuovere l'adozione e ulteriore sviluppo della fotonica su silicio.

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