Desafios da Integração de Fótons de Silício no Design de PCB

A fotônica de silício utilizará os mesmos processos de fabricação usados em circuitos integrados de silício

Tive a honra de conhecer Richard Soref em uma recente conferência da IEEE e discutir o estado atual dos circuitos integrados eletrônico-fotônicos (EPICs). O homem é frequentemente chamado de “o Pai da Fotônica de Silício”, e por um bom motivo. Se você pedir com educação, ele vai te contar como construir todos os portões lógicos fundamentais como circuitos fotônicos diretamente no silício.

Agora é um momento marcante para a fotônica de silício. Embora a tecnologia exista há décadas, está à beira de ser fortemente comercializada e disponibilizada para as massas. Ainda existem alguns desafios de engenharia a serem superados antes que a fotônica de silício possa ser integrada em sistemas que funcionam com componentes eletrônicos padrão.

O Desafio de 100 Gbps+ em Design de IC e PCB

Para aqueles que leram até aqui e ainda estão confusos, aqui vai um pouco de contexto: circuitos fotônicos são elementos de circuito que operam usando apenas luz. Esses circuitos são um tópico importante nas comunidades de engenharia óptica e eletrônica. Há 12 anos, os designers falavam sobre criar links únicos que podem transferir dados a 100 Gbps sobre cobre.

Foi descoberto que o cobre permite a transferência de dados a 100 Gbps em distâncias mais curtas, enquanto a fibra funciona melhor em distâncias mais longas. A paralelização também pode ser usada com equipamentos mais lentos para aumentar as taxas de dados para 100 Gbps e 400 Gbps. O equipamento óptico necessário para operar em uma rede de 100 Gbps carrega requisitos de design muito particulares e não é universalmente compatível com todos os componentes eletrônicos.

Problemas de integridade de sinal elétrico em PCBs e ICs tornam-se mais proeminentes e notáveis à medida que a taxa de dados aumenta, e assim o tempo de subida do sinal diminui. No nível do IC, os tempos de atraso de interconexão, tempos de atraso de propagação e a força do diafonia aumentam à medida que a taxa de dados aumenta. No nível do PCB, diafonia, EMI irradiada e conduzida, e gerenciamento térmico tornam-se considerações importantes de design de alta velocidade. Componentes ópticos oferecem soluções de maior largura de banda que não sofrem dos mesmos problemas de integridade de sinal encontrados em componentes eletrônicos. Maior paralelismo no design de ICs eletrônicos requer soluções de maior largura de banda que podem ser fornecidas por componentes ópticos.

Conheça os circuitos integrados fotônicos (PICs) e os circuitos integrados eletrônico-fotônicos (EPICs). O primeiro tipo de circuito é projetado para operar inteiramente com luz, com um grande número de elementos fotônicos integrados em um único pacote. O segundo tipo de circuito é projetado para operar usando luz, mas elementos eletrônicos podem aparecer nesses circuitos. Portanto, esses circuitos também podem se conectar com componentes eletrônicos padrão, dependendo da largura de banda do componente eletrônico.

Você deve estar se perguntando, por que fotonica, e por que em silício? A maturidade da fundição de silício e das capacidades de fabricação de chips significa que esses processos de fabricação tradicionais podem ser imediatamente adaptados para circuitos fotônicos. Se vamos ver PICs ou EPICs em breve, eles provavelmente serão construídos com tecnologia de fotonica em silício.

No futuro, você provavelmente interagirá esses ICs com PICs e EPICs

Desafios na Fotonica em Silício para Uso em PCBs

O grande ponto a favor do silício é que ele é transparente em comprimentos de onda de 1550 nm, tornando-o imediatamente compatível com equipamentos de rede de fibra óptica que operam a 1550 nm. Isso cria outro problema, já que não existem fontes de luz ou detectores em sistemas de fotonica em silício feitos diretamente de silício. Isso se deve ao fato de que o silício é um semicondutor de banda indireta.

Integrar uma fonte de luz e um detector diretamente em um EPIC de silício requer a união de um semicondutor III-V (por exemplo, InP, InGaAs) ou uma camada de Ge diretamente no silício. A união de materiais III-V ao silício traz seus próprios desafios técnicos e permanece uma área ativa de pesquisa. No entanto, se o comprimento de onda operacional for alterado para 2 mícrons, torna-se possível construir EPICs de silício monolíticos com perdas relativamente baixas sem o uso de um material III-V. Em qualquer caso, isso cria dois desafios na integração de EPICs de silício em PCBs para interface com componentes eletrônicos.

Se um material III-V é usado como detector e fonte de luz, então a interface com redes de fibra óptica requer a conversão entre comprimentos de onda de 2 mícrons e 1550 nm. Isso precisará ser feito colocando um transceptor padrão de 1550 nm em algum lugar na placa. A largura de banda do material III-V ou do transceptor (o que for menor) determinará a taxa de dados limitante neste tipo de sistema.

Se o comprimento de onda no EPIC for mantido em 1550 nm, isso exigirá a colocação de fotodetectores tradicionais e fontes de luz LED infravermelho de banda estreita ou diodos laser ao lado de um EPIC, o que apresenta um desafio na montagem e fabricação. Esses componentes também ocupam espaço extra na placa para cada EPIC. Ainda está por ser visto qual estratégia será melhor para integrar EPICs em PCBs. Qualquer fonte de luz que seja usada com EPICs de silício deve ter um tempo de resposta rápido para ser compatível com as famílias de lógica eletrônicas mais rápidas.

O grande aspecto dos EPICs de silício é que a comutação pode ser controlada eletricamente aplicando pulsos de tensão ao chip. Isso permite que dados externos sejam facilmente inseridos em um EPIC e manipulados dentro do EPIC. O fato de os EPICs não sofrerem dos mesmos problemas de integridade de sinal elétrico que os ICs eletrônicos permite que um EPIC seja usado para processamento de dados mais rápido, enquanto ainda é capaz de se interfacear com ICs eletrônicos padrão. As práticas típicas de design de PCB de alta velocidade para eletrônicos ainda podem ser seguidas ao integrar EPICs em um PCB.

LEDs Infravermelhos

Trazendo a Fotônica de Silício para a Vida

Já existem vários conjuntos de ferramentas de código aberto para o design de PICs e EPICs em materiais de Si ou III-V. Esses designs de componentes podem então ser enviados para uma fundição aberta e fabricados em pequenas séries. Normalmente, essas séries fazem parte de um wafer de múltiplos projetos (MPW), permitindo que os designers de componentes fabriquem um pequeno número de componentes protótipos enquanto compartilham os custos com outros designers.

Novas fontes de luz de alta potência que são integradas aos seus próprios PICs (como lasers multimodo), também são um importante tópico de pesquisa e estão à beira da comercialização inicial. Pesquisadores e desenvolvedores de produtos que projetam esses componentes podem integrá-los a uma placa de avaliação personalizada e examinar como eles se interfaceiam com os ICs eletrônicos padrão. Tudo isso contribuirá significativamente para o avanço da adoção e desenvolvimento adicional da fotônica de silício.

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