Проблемы интеграции кремниевой фотоники в дизайн печатных плат

Силиконовая фотоника будет использовать те же производственные процессы, что и в силиконовых интегральных схемах

Мне выпала честь встретиться с Ричардом Сорефом на недавней конференции IEEE и обсудить текущее состояние электронно-фотонных интегрированных схем (EPICs). Этого человека часто называют «отцом силиконовой фотоники», и не зря. Если вы спросите его как следует, он расскажет вам, как построить все основные логические вентили как фотонные схемы непосредственно на силиконе.

Сейчас - переломный момент для силиконовой фотоники. Хотя технология существует уже десятилетиями, сейчас она находится на пороге массовой коммерциализации и становления доступной для широких масс. Еще предстоит преодолеть некоторые инженерные проблемы, прежде чем силиконовая фотоника сможет быть интегрирована в системы, работающие на стандартных электронных компонентах.

Проблема 100 Гбит/с и более в дизайне ИС и печатных плат

Для тех, кто прочитал до этого места и все еще запутался, вот некоторые пояснения: фотонные схемы - это элементы схем, работающие исключительно на свете. Эти схемы являются важной темой в сообществах оптики и электронной инженерии. 12 лет назад дизайнеры говорили о создании одиночных связей, которые могут передавать данные со скоростью 100 Гбит/с по меди.

Было обнаружено, что медь позволяет передавать данные со скоростью 100 Гбит/с на короткие расстояния, в то время как оптоволокно лучше работает на больших расстояниях. Параллелизация также может быть использована с более медленным оборудованием для увеличения скорости передачи данных до 100 Гбит/с и 400 Гбит/с. Оптическое оборудование, необходимое для работы в сети 100 Гбит/с, имеет очень конкретные требования к дизайну и не универсально совместимо со всеми электронными компонентами.

Проблемы с целостностью электрического сигнала в печатных платах и интегральных схемах становятся более заметными по мере увеличения скорости передачи данных и, соответственно, уменьшения времени нарастания сигнала. На уровне интегральных схем время задержки межсоединений, время распространения задержки и сила перекрестных помех увеличиваются по мере увеличения скорости передачи данных. На уровне печатных плат перекрестные помехи, излучаемые и проводимые ЭМП, а также тепловое управление становятся важными аспектами при проектировании высокоскоростных устройств. Оптические компоненты предлагают решения с более высокой пропускной способностью, которые не страдают от тех же проблем с целостностью сигнала, что и электронные компоненты. Больший параллелизм в дизайне электронных интегральных схем требует решений с более высокой пропускной способностью, которые могут быть предоставлены оптическими компонентами.

Встречайте фотонные интегральные схемы (ФИС) и электронно-фотонные интегральные схемы (ЭФИС). Первый тип схем разработан для работы исключительно с использованием света с большим количеством фотонных элементов, интегрированных в один пакет. Второй тип схем разработан для работы с использованием света, но в этих схемах могут присутствовать электронные элементы. Следовательно, эти схемы также могут взаимодействовать со стандартными электронными компонентами в зависимости от пропускной способности электронного компонента.

Возможно, вы задаетесь вопросом, почему фотоника и почему на кремнии? Зрелость технологий кремниевых литейных заводов и производства чипов означает, что эти традиционные производственные процессы могут быть немедленно адаптированы для фотонных схем. Если мы увидим ФИС или ЭФИС в ближайшее время, они, скорее всего, будут построены на технологии кремниевой фотоники.

В будущем вы, вероятно, будете использовать эти ИС в сочетании с ФИС и ЭФИС

Проблемы кремниевой фотоники для использования в печатных платах

Прекрасно то, что кремний прозрачен на длинах волн 1550 нм, поэтому он сразу совместим с оборудованием оптических волоконных сетей, работающих на 1550 нм. Это создает другую проблему, заключающуюся в том, что в системах кремниевой фотоники, изготовленных непосредственно из кремния, нет источников света или детекторов. Это связано с тем, что кремний является полупроводником с косвенной запрещенной зоной.

Интеграция источника света и детектора непосредственно на кремниевом EPIC требует соединения полупроводника III-V группы (например, InP, InGaAs) или слоя Ge непосредственно на кремний. Соединение материалов III-V группы с кремнием представляет собой свои технические сложности и остается активной областью исследований. Однако, если рабочая длина волны смещена к 2 микронам, становится возможным создание относительно низкопотерных монолитных кремниевых EPIC без использования материала III-V группы. В любом случае, это создает две проблемы при интеграции кремниевых EPIC на печатные платы для взаимодействия с электронными компонентами.

Если материал III-V группы используется в качестве детектора и источника света, то для взаимодействия с оптоволоконными сетями требуется преобразование между длинами волн 2 микрона и 1550 нм. Это будет выполнено путем размещения стандартного 1550 нм передатчика где-то на плате. Пропускная способность материала III-V группы или передатчика (в зависимости от того, что меньше) сама по себе определит предельную скорость передачи данных в такой системе.

Если длина волны в EPIC поддерживается на уровне 1550 нм, то это потребует размещения традиционных фотодетекторов и узкополосных инфракрасных источников света LED или лазерных диодов рядом с EPIC, что представляет собой проблему при сборке и производстве. Эти компоненты также занимают дополнительное место на плате для каждого EPIC. Пока что неясно, какая стратегия будет лучшей для интеграции EPIC на печатных платах. Любой используемый источник света с кремниевыми EPIC должен иметь быстрое время отклика, чтобы быть совместимым с самыми быстрыми семействами логических схем.

Великолепным аспектом кремниевых EPIC является то, что переключение может контролироваться электрически путем приложения импульсов напряжения к чипу. Это позволяет легко вводить внешние данные в EPIC и манипулировать ими внутри EPIC. Тот факт, что EPIC не страдают от тех же проблем с целостностью электрического сигнала, что и электронные ИС, позволяет использовать EPIC для более быстрой обработки данных, оставаясь при этом совместимыми со стандартными электронными ИС. Типичные практики проектирования печатных плат высокой скорости для электроники все еще могут быть следованы при интеграции EPIC на печатную плату.

Инфракрасные светодиоды

Привнесение жизни в кремниевую фотонику

Уже существует ряд открытых наборов инструментов для проектирования PIC и EPIC на материалах Si или III-V. Эти компоненты можно затем отправить на открытый завод и изготовить мелкими партиями. Обычно эти партии являются частью многопроектного кристалла (MPW), что позволяет конструкторам компонентов производить небольшое количество прототипов, деля расходы с другими разработчиками.

Новые мощные источники света, интегрированные в собственные PIC (такие как многомодовые лазеры), также являются важной темой исследований и находятся на пороге ранней коммерциализации. Исследователи и разработчики продуктов, проектирующие эти компоненты, могут интегрировать их в специализированную оценочную плату и изучить, как они взаимодействуют со стандартными электронными ИС. Всё это в значительной степени способствует продвижению и дальнейшему развитию кремниевой фотоники.

Инструменты компоновки и моделирования в Altium Designer позволяют вам проектировать печатные платы практически для любого приложения. Инструменты создания компонентов также позволяют интегрировать любой собственный или экспериментальный компонент, включая компоненты кремниевой фотоники, в вашу схему. Вы также можете включить посадочные места для этих компонентов, используя модели STEP, разработанные в программах механического моделирования.

Свяжитесь с нами или загрузите бесплатную пробную версию, если вы хотите узнать больше об Altium Designer. Вы получите доступ к лучшим в отрасли инструментам для трассировки, размещения и моделирования в единой программе. Поговорите с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше.