PCB 설계에서의 실리콘 광자학 통합 도전 과제

실리콘 포토닉스는 실리콘 IC에서 사용되는 동일한 제조 공정을 사용할 것입니다

최근 IEEE 회의에서 리처드 소레프를 만나 전자-광학 통합 회로(EPICs)의 현재 상태에 대해 논의할 수 있어 영광이었습니다. 그는 종종 "실리콘 포토닉스의 아버지"라고 불리며, 그럴 만한 충분한 이유가 있습니다. 그에게 예의 바르게 물으면, 실리콘 위에 직접 광학 회로로 모든 기본 논리 게이트를 구축하는 방법을 알려줄 것입니다.

지금은 실리콘 포토닉스에 있어 획기적인 시기입니다. 이 기술은 수십 년 동안 존재해 왔지만, 이제 대중에게 대량 상용화되고 제공될 무렵입니다. 실리콘 포토닉스를 표준 전자 부품이 작동하는 시스템에 통합하기 전에 극복해야 할 몇 가지 공학적 도전 과제가 여전히 있습니다.

IC 및 PCB 설계에서의 100 Gbps+ 도전

이 글을 읽고 여전히 혼란스러운 분들을 위해 배경을 설명하겠습니다: 광학 회로는 오직 빛을 사용하여 작동하는 회로 요소입니다. 이러한 회로는 광학 및 전자 공학 커뮤니티에서 주요한 주제입니다. 12년 전, 설계자들은 구리를 통해 100 Gbps의 데이터를 전송할 수 있는 단일 링크를 만들기에 대해 이야기했습니다.

구리는 짧은 거리에서 100 Gbps의 데이터 전송을 가능하게 하는 반면, 광섬유는 더 긴 거리에서 가장 잘 작동합니다. 느린 장비와 함께 병렬화를 사용하여 데이터 전송률을 100 Gbps 및 400 Gbps로 증가시킬 수도 있습니다. 100 Gbps 네트워크에서 작동하는 데 필요한 광학 장비는 매우 특정한 설계 요구 사항을 가지고 있으며 모든 전자 부품과 보편적으로 호환되지 않습니다.

데이터 전송률이 증가함에 따라 신호 상승 시간이 감소하고, PCB와 IC에서 전기 신호 무결성 문제가 더욱 두드러지고 눈에 띄게 됩니다. IC 수준에서, 데이터 전송률이 증가함에 따라 상호 연결 지연 시간, 전파 지연 시간, 그리고 크로스토크 강도가 모두 증가합니다. PCB 수준에서는 크로스토크, 방사 및 전도 EMI, 그리고 열 관리가 고속 설계 고려 사항으로 중요해집니다. 광학 부품은 전자 부품에서 발견되는 동일한 신호 무결성 문제에 시달리지 않는 더 높은 대역폭 솔루션을 제공합니다. 전자 IC 설계에서의 더 큰 병렬성은 광학 부품이 제공할 수 있는 더 높은 대역폭 솔루션을 요구합니다.

광자 집적 회로(PICs)와 전자-광자 집적 회로(EPICs)를 소개합니다. 전자의 회로 유형은 빛만을 사용하여 작동하도록 설계되었으며, 많은 수의 광자 요소가 단일 패키지에 통합되어 있습니다. 후자의 회로 유형은 빛을 사용하여 작동하도록 설계되었지만, 이러한 회로에는 전자 요소가 나타날 수 있습니다. 따라서 이러한 회로는 전자 구성 요소의 대역폭에 따라 표준 전자 구성 요소와도 인터페이스할 수 있습니다.

왜 광자학이고 왜 실리콘인지 궁금할 것입니다. 실리콘 파운드리와 칩 제조 능력의 성숙함은 이러한 전통적인 제조 공정이 광자 회로에 즉시 적용될 수 있음을 의미합니다. 만약 우리가 곧 PICs나 EPICs를 보게 된다면, 그것들은 대부분 실리콘 광자 기술을 기반으로 제작될 것입니다.

미래에는 이 IC들을 PICs와 EPICs와 인터페이스할 것입니다.

PCB에서 사용하기 위한 실리콘 광자학의 도전

실리콘의 좋은 점은 1550 nm 파장에서 투명하다는 것이므로, 1550 nm에서 작동하는 광섬유 네트워킹 장비와 즉시 호환됩니다. 이는 실리콘 광자 시스템에서 실리콘으로 직접 만들어진 광원이나 검출기가 없다는 또 다른 문제를 야기합니다. 이는 실리콘이 간접 밴드갭 반도체이기 때문입니다.

실리콘 EPIC에 직접 광원과 검출기를 통합하는 것은 III-V 반도체(예: InP, InGaAs) 또는 Ge 층을 실리콘에 직접 결합하는 것을 요구합니다. III-V 재료를 실리콘에 결합하는 것은 자체 기술적 도전을 가지고 있으며 여전히 활발한 연구 분야입니다. 그러나 작동 파장을 2 마이크론으로 이동시키면 III-V 재료를 사용하지 않고도 상대적으로 손실이 낮은 단일체 실리콘 EPIC를 구축할 수 있게 됩니다. 어느 경우든, 이것은 실리콘 EPIC를 PCB에 통합하여 전자 구성 요소와 인터페이스하는 데 두 가지 도전을 만듭니다.

III-V 재료가 검출기 및 광원으로 사용되는 경우, 광섬유 네트워크와 인터페이스하려면 2 마이크론과 1550 nm 파장 사이를 변환해야 합니다. 이는 보드 어딘가에 표준 1550 nm 송수신기를 배치함으로써 이루어져야 합니다. III-V 재료 또는 송수신기(더 작은 쪽)의 대역폭이 이러한 유형의 시스템에서 제한 데이터 속도를 결정하게 됩니다.

EPIC에서 파장을 1550 nm로 유지한다면, 이는 전통적인 광검출기와 좁은 대역의 적외선 LED 광원 또는 레이저 다이오드를 EPIC와 함께 배치해야 한다는 도전을 제시합니다. 이러한 구성 요소는 각 EPIC마다 추가적인 보드 공간을 차지합니다. PCB 위에 EPIC을 통합하는 가장 좋은 전략이 무엇인지는 아직 미지수입니다. 실리콘 EPIC과 함께 사용되는 모든 광원은 가장 빠른 전자 논리 패밀리와 호환되기 위해 빠른 응답 시간을 가져야 합니다.

실리콘 EPIC의 훌륭한 측면은 칩에 전압 펄스를 적용함으로써 전기적으로 스위칭을 제어할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 외부 데이터를 EPIC에 쉽게 입력하고 EPIC 내에서 조작할 수 있습니다. EPIC이 전자 IC와 같은 전기 신호 무결성 문제를 겪지 않는다는 사실은 EPIC을 표준 전자 IC와 인터페이스할 수 있으면서도 더 빠른 데이터 처리에 사용할 수 있게 합니다. 전자에 대한 전형적인 고속 PCB 설계 관행은 PCB에 EPIC을 통합할 때 여전히 따를 수 있습니다.

적외선 LED

실리콘 포토닉스를 생명으로 불어넣기

이미 Si 또는 III-V 재료에서 PIC 및 EPIC를 설계하기 위한 다양한 오픈 소스 도구 세트가 있습니다. 이러한 구성 요소 디자인은 오픈 파운드리로 보내져 단기간에 제조될 수 있습니다. 보통, 이러한 제조 과정은 다중 프로젝트 웨이퍼(MPW)의 일부로, 구성 요소 디자이너들이 다른 디자이너들과 비용을 공유하면서 소량의 프로토타입 구성 요소를 제조할 수 있게 합니다.

자체 PIC에 통합된 새로운 고출력 광원(예: 다중 모드 레이저)도 주요 연구 주제이며, 초기 상용화의 문턱에 있습니다. 이러한 구성 요소를 설계하는 연구원 및 제품 개발자는 이를 맞춤형 평가 보드에 통합하고 표준 전자 IC와의 인터페이스를 검토할 수 있습니다. 이 모든 것은 실리콘 포토닉스의 채택과 추가 개발을 크게 진전시킬 것입니다.

Altium Designer의 레이아웃 및 시뮬레이션 도구를 사용하면 거의 모든 애플리케이션에 대한 PCB를 설계할 수 있습니다. 구성 요소 생성 도구를 사용하면 독점적이거나 실험적인 구성 요소—실리콘 포토닉스 구성 요소를 포함하여—를 회로도에 통합할 수 있습니다. 또한, 기계 모델링 프로그램에서 설계된 STEP 모델을 사용하여 이러한 구성 요소의 PCB 풋프린트를 포함시킬 수도 있습니다.

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