PCB設計におけるシリコンフォトニクス統合の課題

シリコンフォトニクスは、シリコンICで使用されている製造プロセスをそのまま使用します

最近のIEEEカンファレンスでリチャード・ソレフと会い、電子・フォトニック統合回路（EPICs）の現状について話し合う機会を得ました。彼はしばしば「シリコンフォトニクスの父」と呼ばれており、その理由は明らかです。彼に優しく頼めば、シリコン上に直接フォトニック回路としての基本的な論理ゲートをどのように構築するかを教えてくれるでしょう。

今はシリコンフォトニクスにとって画期的な時期です。この技術は数十年前から存在していますが、現在、大量商業化の寸前にあり、大衆に提供されようとしています。標準的な電子部品で動作するシステムにシリコンフォトニクスを統合する前に、克服すべきいくつかのエンジニアリングの課題がまだあります。

ICおよびPCB設計における100 Gbps+の課題

ここまで読んでまだ混乱している人のために、いくつかの背景を説明します：フォトニック回路とは、光のみを使用して動作する回路要素です。これらの回路は、光学および電子工学のコミュニティで主要な話題です。12年前、設計者は銅を介して100 Gbpsでデータを転送できる単一リンクの作成について話していました。

銅は短距離で100 Gbpsのデータ転送を可能にすることがわかり、一方で光ファイバーは長距離で最適に機能します。遅い機器でも並列化を使用して、データレートを100 Gbpsや400 Gbpsに増加させることができます。100 Gbpsネットワークで動作するために必要な光学機器は、非常に特定の設計要件を持ち、すべての電子部品と普遍的に互換性があるわけではありません。

データレートが増加するにつれて、PCBやIC内の電気信号の整合性の問題がより顕著かつ目立つようになり、その結果、信号の立ち上がり時間が短くなります。ICレベルでは、データレートの増加に伴い、相互接続遅延時間、伝播遅延時間、およびクロストークの強度がすべて増加します。PCBレベルでは、クロストーク、放射されたおよび伝導されたEMI、および熱管理が、高速設計の重要な考慮事項となります。光学部品は、電子部品で見られる同じ信号整合性の問題に悩まされない、より高帯域幅の解決策を提供します。電子IC設計におけるより大きな並列性は、光学部品によって提供されるより高帯域幅の解決策を必要とします。

フォトニック集積回路（PIC）と電子・フォトニック集積回路（EPIC）に注目してください。前者の回路は、多数のフォトニック要素を単一のパッケージに統合して、完全に光で動作するように設計されています。後者の回路は、光を使用して動作するように設計されていますが、これらの回路には電子要素が現れることがあります。したがって、これらの回路は、電子部品の帯域幅に応じて、標準的な電子部品ともインターフェースできます。

なぜフォトニクスで、なぜシリコン上なのか疑問に思うかもしれません。シリコン製造所とチップ製造能力の成熟度は、これらの伝統的な製造プロセスをフォトニック回路に即座に適応させることができることを意味します。もし私たちが近いうちにPICやEPICを見ることになるなら、それらは最も確実にシリコンフォトニクス技術に基づいて構築されるでしょう。

将来的には、これらのICをPICやEPICとインターフェースすることになるでしょう

PCBでのシリコンフォトニクスの使用における課題

シリコンの素晴らしい点は、1550 nmの波長で透明であるため、1550 nmで動作する光ファイバーネットワーキング機器と直ちに互換性があることです。これにより、シリコンから直接作られた光源や検出器がシリコンフォトニクスシステムに存在しないという別の問題が生じます。これは、シリコンが間接バンドギャップ半導体であるためです。

シリコンEPICに直接光源と検出器を統合するには、III-V族半導体（例えば、InP、InGaAs）またはGe層をシリコンに直接接合する必要があります。III-V材料をシリコンに接合することは、独自の技術的課題を伴い、現在も積極的な研究分野です。しかし、動作波長を2ミクロンにシフトすると、III-V材料を使用せずに比較的低損失のモノリシックシリコンEPICを構築することが可能になります。いずれの場合も、これはシリコンEPICをPCBに統合し、電子部品とのインターフェースを形成する際に2つの課題を生み出します。

III-V材料が検出器および光源として使用される場合、ファイバーオプティックネットワークとのインターフェースには、2ミクロンと1550nmの波長間の変換が必要になります。これは、基板上のどこかに標準の1550nmトランシーバーを配置することによって行われる必要があります。III-V材料またはトランシーバー（どちらか小さい方）の帯域幅が、このタイプのシステムにおける限界データレートを決定します。

EPICの波長を1550 nmに保つ場合、従来のフォトディテクターや狭帯域の赤外線LED光源またはレーザーダイオードをEPICの隣に配置する必要があり、これは組み立てと製造において課題を提示します。これらのコンポーネントは、各EPICごとに追加のボードスペースも占めます。EPICをPCB上に統合する最適な戦略が何であるかは、まだ見極められていません。シリコンEPICで使用される任意の光源は、最速の電子ロジックファミリーと互換性を持つために、高速な応答時間を持つ必要があります。

シリコンEPICの素晴らしい側面は、チップに電圧パルスを適用することで電気的にスイッチングを制御できることです。これにより、外部データをEPICに簡単に入力し、EPIC内で操作することが可能になります。EPICが電子ICと同じ電気信号の整合性の問題に悩まされないという事実は、EPICを標準の電子ICとインターフェースしながら、より高速なデータ処理に使用できることを意味します。電子機器の典型的な高速PCB設計の実践は、EPICをPCBに統合する際にも引き続き適用されます。

赤外線LED

シリコンフォトニクスを実現する

既にSiやIII-V材料上でのPIC（フォトニック集積回路）やEPIC（電子フォトニック集積回路）を設計するためのオープンソースツールセットがいくつか存在します。これらのコンポーネント設計は、オープンファウンドリーに送られ、短期間で製造されることができます。通常、これらの生産はマルチプロジェクトウェハー（MPW）の一部として行われ、コンポーネントデザイナーは他のデザイナーとコストを共有しながら、少量のプロトタイプコンポーネントを製造することができます。

自身のPICに統合された新しい高出力光源（例えば、多モードレーザーなど）も、主要な研究トピックであり、初期の商業化の際には研究者や製品開発者がこれらのコンポーネントをカスタマイズされた評価ボードに統合し、標準の電子ICとのインターフェースを調査することができます。これらはすべて、シリコンフォトニクスの採用とさらなる開発を進める上で大きな役割を果たします。

Altium Designerのレイアウトおよびシミュレーションツールを使用すると、ほぼあらゆるアプリケーションのPCBを設計することができます。コンポーネント作成ツールを使用すると、シリコンフォトニクスコンポーネントを含む、任意の独自または実験的なコンポーネントを回路図に統合することもできます。また、機械モデリングプログラムで設計されたSTEPモデルを使用して、これらのコンポーネントのPCBフットプリントも含めることができます。

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