Wyzwania integracji fotoniki krzemowej w projektowaniu PCB

Fotonika krzemowa będzie korzystać z tych samych procesów produkcyjnych, co stosowane w układach scalonych krzemowych

Miałem zaszczyt spotkać się z Richardem Sorefem na niedawnej konferencji IEEE i omówić obecny stan zintegrowanych obwodów elektroniczno-fotonicznych (EPICs). Człowiek ten często nazywany jest „Ojcem Fotoniki Krzemowej”, i to z dobrego powodu. Jeśli zapytasz go grzecznie, opowie ci, jak zbudować wszystkie podstawowe bramki logiczne jako obwody fotoniczne bezpośrednio na krzemie.

Teraz jest przełomowy czas dla fotoniki krzemowej. Chociaż technologia ta istnieje od dziesięcioleci, jest obecnie na progu masowej komercjalizacji i udostępnienia szerokim masom. Nadal istnieją pewne wyzwania inżynieryjne do pokonania, zanim fotonika krzemowa będzie mogła być zintegrowana z systemami działającymi na standardowych komponentach elektronicznych.

Wyzwanie 100 Gbps+ w projektowaniu układów scalonych i PCB

Dla tych, którzy dotarli do tego miejsca i nadal są zdezorientowani, oto trochę tła: obwody fotoniczne to elementy obwodów, które działają wyłącznie na świetle. Te obwody są głównym tematem w społecznościach inżynierów optyki i elektroniki. 12 lat temu, projektanci mówili o tworzeniu pojedynczych łączy, które mogą przesyłać dane z prędkością 100 Gbps przez miedź.

Odkryto, że miedź umożliwia transfer danych z prędkością 100 Gbps na krótszych dystansach, podczas gdy światłowody najlepiej sprawdzają się na dłuższych odległościach. Równoległość może być również wykorzystana z wolniejszym sprzętem, aby zwiększyć prędkości transmisji danych do 100 Gbps i 400 Gbps. Sprzęt optyczny wymagany do pracy w sieci 100 Gbps niesie ze sobą bardzo szczególne wymagania projektowe i nie jest uniwersalnie kompatybilny ze wszystkimi komponentami elektronicznymi.

Problemy z integralnością sygnału elektrycznego w PCB i układach scalonych stają się bardziej widoczne i zauważalne wraz ze wzrostem prędkości transmisji danych, a tym samym zmniejszeniem czasu narastania sygnału. Na poziomie układów scalonych, czasy opóźnień połączeń, czasy opóźnień propagacji i siła przeplotu wzrastają wraz ze wzrostem prędkości transmisji danych. Na poziomie PCB, przeplot, promieniowane i przewodzone EMI, oraz zarządzanie ciepłem stają się ważnymi aspektami projektowania wysokich prędkości. Komponenty optyczne oferują rozwiązania o wyższej przepustowości, które nie cierpią na te same problemy z integralnością sygnału, co komponenty elektroniczne. Większy równoległość w projektowaniu układów scalonych elektronicznych wymaga rozwiązań o wyższej przepustowości, które mogą być dostarczone przez komponenty optyczne.

Wprowadźmy układy fotoniczne zintegrowane (PIC) oraz elektroniczno-fotoniczne układy zintegrowane (EPIC). Pierwszy typ układu jest zaprojektowany do działania całkowicie za pomocą światła z dużą liczbą elementów fotonowych zintegrowanych w jednym pakiecie. Drugi typ układu jest zaprojektowany do działania przy użyciu światła, ale mogą się w nich pojawić elementy elektroniczne. Dlatego te układy mogą również współpracować ze standardowymi komponentami elektronicznymi, w zależności od pasma przepustowości komponentu elektronicznego.

Możesz się zastanawiać, dlaczego fotonika, i dlaczego na krzemie? Dojrzałość technologii krzemowych fabryk i możliwości produkcji chipów oznacza, że te tradycyjne procesy produkcyjne mogą być natychmiast dostosowane do układów fotonowych. Jeśli wkrótce zobaczymy PIC lub EPIC, najprawdopodobniej będą one zbudowane na technologii fotoniki krzemowej.

W przyszłości prawdopodobnie będziesz łączyć te układy scalone z PIC i EPIC

Wyzwania w fotonice krzemowej do zastosowania w PCB

Wspaniałą cechą krzemu jest to, że jest on przezroczysty przy długościach fal 1550 nm, więc jest natychmiast kompatybilny z urządzeniami sieciowymi światłowodowymi pracującymi na 1550 nm. Tworzy to jednak kolejny problem, ponieważ w systemach fotoniki krzemowej nie ma bezpośrednio z krzemu wykonanych źródeł światła ani detektorów. Wynika to z faktu, że krzem jest półprzewodnikiem o pośredniej przerwie energetycznej.

Integracja źródła światła i detektora bezpośrednio na krzemowym EPIC wymaga połączenia półprzewodnika III-V (np. InP, InGaAs) lub warstwy Ge bezpośrednio na krzemie. Łączenie materiałów III-V z krzemem niesie ze sobą własne wyzwania techniczne i pozostaje aktywnym obszarem badań. Jednakże, jeśli długość fali roboczej zostanie przesunięta do 2 mikronów, staje się możliwe zbudowanie stosunkowo niskostratnych monolitycznych krzemowych EPIC bez użycia materiału III-V. W obu przypadkach tworzy to dwa wyzwania w integracji krzemowych EPIC na PCB, aby umożliwić interfejs z komponentami elektronicznymi.

Jeśli materiał III-V jest używany jako detektor i źródło światła, wówczas interfejsowanie z sieciami światłowodowymi wymaga konwersji między długościami fal 2 mikrony a 1550 nm. Będzie to wymagało umieszczenia standardowego nadajnika-odbiornika 1550 nm gdzieś na płycie. Przepustowość materiału III-V lub nadajnika-odbiornika (w zależności od tego, który jest mniejszy) będzie determinować ograniczającą szybkość transmisji danych w tego typu systemie.

Jeśli długość fali w EPIC zostanie utrzymana na poziomie 1550 nm, będzie to wymagało umieszczenia tradycyjnych fotodetektorów i wąskopasmowych źródeł światła LED w podczerwieni lub diod laserowych obok EPIC, co stanowi wyzwanie w montażu i produkcji. Te komponenty zajmują również dodatkową przestrzeń na płytce dla każdego EPIC. Pozostaje pytanie, która strategia będzie najlepsza do integracji EPIC na PCB. Każde źródło światła używane z krzemowymi EPIC musi charakteryzować się szybkim czasem reakcji, aby było kompatybilne z najszybszymi rodzinami logiki elektroniki.

Wspaniałą cechą krzemowych EPIC jest to, że przełączanie może być kontrolowane elektrycznie poprzez aplikowanie impulsów napięcia do chipa. Pozwala to na łatwe wprowadzanie danych zewnętrznych do EPIC i manipulowanie nimi wewnątrz EPIC. Fakt, że EPIC nie cierpią na te same problemy z integralnością sygnału elektrycznego, co elektroniczne układy scalone (IC), pozwala na używanie EPIC do szybszego przetwarzania danych przy jednoczesnej możliwości interfejsowania z standardowymi elektronicznymi układami scalonymi. Typowe praktyki projektowania PCB o wysokiej prędkości dla elektroniki mogą być nadal stosowane przy integracji EPIC na PCB.

Dioda LED w podczerwieni

Przynoszenie fotoniki krzemowej do życia

Istnieje już wiele zestawów narzędzi open source do projektowania PIC i EPIC na materiałach Si lub III-V. Te projekty komponentów mogą być następnie wysyłane do otwartej fabryki i produkowane w krótkich seriach. Zazwyczaj te serie są częścią wieloprojektowej płytki (MPW), co pozwala projektantom komponentów na wyprodukowanie małej liczby prototypowych komponentów, dzieląc koszty z innymi projektantami.

Nowe, wysokomocne źródła światła, które są integrowane z własnymi PIC (takie jak lasery wielomodowe), są również ważnym tematem badań i są na progu wczesnej komercjalizacji. Badacze i deweloperzy produktów projektujący te komponenty mogą integrować je z dostosowaną płytą ewaluacyjną i badać, jak łączą się ze standardowymi układami elektronicznymi IC. Wszystko to znacznie przyczyni się do przyspieszenia adopcji i dalszego rozwoju fotoniki krzemowej.

Narzędzia do układania i symulacji w Altium Designer pozwalają na projektowanie PCB dla niemal każdej aplikacji. Narzędzia do tworzenia komponentów pozwalają również na integrację dowolnego własnego lub eksperymentalnego komponentu — w tym komponentów fotoniki krzemowej — ze schematem. Możesz również dołączyć obrysy PCB dla tych komponentów, używając modeli STEP zaprojektowanych w programach do modelowania mechanicznego.

Skontaktuj się z nami lub pobierz bezpłatną wersję próbną, jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o Altium Designer. Będziesz miał dostęp do najlepszych w branży narzędzi do trasowania, układu i symulacji w jednym programie. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.