Thách thức trong việc Tích hợp Silicon Photonics trong Thiết kế PCB

Zachariah Peterson
|  Created: Tháng Bảy 23, 2019  |  Updated: Tháng Tư 24, 2020

Wafer scale silicon photonics devices
Quang điện tử silicon sẽ sử dụng cùng một quy trình sản xuất như trong IC silicon

Tôi đã vinh dự gặp Richard Soref tại một hội nghị IEEE gần đây và thảo luận về tình trạng hiện tại của mạch tích hợp điện tử-quang (EPICs). Ông thường được gọi là “Cha đẻ của Quang điện tử Silicon”, và có lý do chính đáng. Nếu bạn hỏi ông một cách lịch sự, ông sẽ chỉ bạn cách xây dựng tất cả các cổng logic cơ bản như mạch quang trực tiếp trên silicon.

Hiện tại là thời điểm quan trọng đối với quang điện tử silicon. Mặc dù công nghệ này đã tồn tại hàng thập kỷ, nhưng nó đang ở bờ vực của việc được thương mại hóa nặng nề và trở nên phổ biến với đại chúng. Vẫn còn một số thách thức kỹ thuật cần vượt qua trước khi quang điện tử silicon có thể được tích hợp vào các hệ thống chạy trên các thành phần điện tử tiêu chuẩn.

Thách thức 100 Gbps+ trong Thiết kế IC và PCB

Đối với những ai đã đọc đến đây và vẫn cảm thấy bối rối, đây là một số nền tảng: mạch quang là các thành phần mạch hoạt động chỉ bằng ánh sáng. Những mạch này là chủ đề lớn trong cộng đồng kỹ thuật quang học và điện tử. 12 năm trước, các nhà thiết kế đang nói về việc tạo ra các liên kết đơn có thể truyền dữ liệu ở tốc độ 100 Gbps qua đồng.

Người ta đã phát hiện ra rằng đồng cho phép truyền dữ liệu ở tốc độ 100 Gbps trên các khoảng cách ngắn, trong khi sợi quang hoạt động tốt nhất ở các khoảng cách dài hơn. Việc song song hóa cũng có thể được sử dụng với thiết bị chậm hơn để tăng tốc độ dữ liệu lên 100 Gbps và 400 Gbps. Thiết bị quang học cần thiết để hoạt động trên mạng 100 Gbps mang theo những yêu cầu thiết kế rất cụ thể và không phải là tương thích với tất cả các linh kiện điện tử.

Vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu điện trong PCB và IC trở nên nổi bật và dễ nhận thấy hơn khi tốc độ dữ liệu tăng lên, và do đó thời gian tăng tín hiệu giảm xuống. Ở cấp độ IC, thời gian trễ kết nối, thời gian trễ truyền và sức mạnh nhiễu chéo đều tăng lên khi tốc độ dữ liệu tăng. Ở cấp độ PCB, nhiễu chéo, nhiễu phát ra và nhiễu dẫn, và quản lý nhiệt trở thành những yếu tố quan trọng cần xem xét khi thiết kế tốc độ cao. Các thành phần quang học cung cấp giải pháp băng thông cao hơn không gặp phải các vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu như trong các thành phần điện tử. Sự song song hóa lớn hơn trong thiết kế IC điện tử đòi hỏi giải pháp băng thông cao hơn có thể được cung cấp bởi các thành phần quang học.

Hãy chào đón mạch tích hợp quang học (PICs) và mạch tích hợp điện-quang (EPICs). Loại mạch đầu tiên được thiết kế để hoạt động hoàn toàn bằng ánh sáng với một số lượng lớn các phần tử quang học được tích hợp vào một gói duy nhất. Loại mạch thứ hai được thiết kế để hoạt động bằng ánh sáng, nhưng các phần tử điện tử có thể xuất hiện trong những mạch này. Do đó, những mạch này cũng có thể kết nối với các thành phần điện tử tiêu chuẩn, tùy thuộc vào băng thông của thành phần điện tử.

Bạn có thể tự hỏi, tại sao lại là quang học, và tại sao lại trên silicon? Sự trưởng thành của nhà máy sản xuất silicon và khả năng chế tạo chip có nghĩa là những quy trình sản xuất truyền thống này có thể được điều chỉnh ngay lập tức để áp dụng cho mạch quang học. Nếu chúng ta sắp thấy PICs hoặc EPICs xuất hiện, chúng rất có thể sẽ được xây dựng trên công nghệ photonics silicon.

ICs on blue PCB
Trong tương lai, bạn có thể sẽ kết nối những IC này với PICs và EPICs

Thách thức trong Photonics Silicon để Sử dụng trong PCBs

Điều tuyệt vời về silicon là nó trong suốt ở bước sóng 1550 nm, do đó nó ngay lập tức tương thích với thiết bị mạng quang học hoạt động ở 1550 nm. Điều này tạo ra một vấn đề khác là không có nguồn sáng hay bộ phát hiện trong hệ thống photonics silicon được làm trực tiếp từ silicon. Điều này là do silicon là một bán dẫn có khoảng cách băng gián tiếp.

Việc tích hợp nguồn sáng và bộ phát hiện trực tiếp trên một silicon EPIC đòi hỏi phải gắn kết một lớp bán dẫn III-V (ví dụ, InP, InGaAs) hoặc lớp Ge trực tiếp lên silicon. Việc gắn kết vật liệu III-V với silicon mang lại những thách thức kỹ thuật riêng và vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực. Tuy nhiên, nếu bước sóng hoạt động được chuyển sang 2 micron, việc xây dựng các EPIC silicon đơn chất với tổn thất thấp mà không cần sử dụng vật liệu III-V trở nên khả thi. Trong cả hai trường hợp, điều này tạo ra hai thách thức trong việc tích hợp EPIC silicon vào PCB để giao tiếp với các thành phần điện tử.

Nếu vật liệu III-V được sử dụng làm bộ phát hiện và nguồn sáng, thì việc giao tiếp với mạng quang học yêu cầu chuyển đổi giữa bước sóng 2 micron và 1550 nm. Điều này cần được thực hiện bằng cách đặt một bộ thu phát tiêu chuẩn 1550 nm ở đâu đó trên bo mạch. Băng thông của vật liệu III-V hoặc bộ thu phát (tùy thuộc vào cái nào nhỏ hơn) sẽ xác định tốc độ dữ liệu giới hạn trong loại hệ thống này.

Nếu bước sóng trong EPIC được giữ ở 1550 nm, điều này sẽ yêu cầu phải đặt các nguồn sáng LED hồng ngoại hẹp và điốt laser cùng với các photodetector truyền thống bên cạnh một EPIC, điều này đặt ra thách thức trong việc lắp ráp và sản xuất. Những thành phần này cũng chiếm thêm không gian trên mạch cho mỗi EPIC. Vẫn còn phải xem chiến lược nào sẽ tốt nhất cho việc tích hợp EPICs trên PCB. Bất kỳ nguồn sáng nào được sử dụng với EPICs silicon đều phải có thời gian phản hồi nhanh để tương thích với các gia đình logic điện tử nhanh nhất.

Điểm tuyệt vời của EPICs silicon là việc chuyển mạch có thể được kiểm soát điện tử bằng cách áp dụng các xung điện áp vào chip. Điều này cho phép dữ liệu bên ngoài được dễ dàng nhập vào một EPIC và được thao tác bên trong EPIC. Thực tế là EPICs không gặp phải các vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu điện tử giống như các IC điện tử cho phép một EPIC được sử dụng để xử lý dữ liệu nhanh hơn trong khi vẫn có thể giao tiếp với các IC điện tử tiêu chuẩn. Các thực hành thiết kế PCB tốc độ cao điển hình cho điện tử vẫn có thể được tuân theo khi tích hợp EPICs trên một PCB.

Infrared LEDs on black substrate
LED hồng ngoại

Đưa Điện tử Quang học Silicon vào Cuộc sống

Đã có một số bộ công cụ mã nguồn mở để thiết kế PICs và EPICs trên vật liệu Si hoặc III-V. Các thiết kế linh kiện này sau đó có thể được gửi đến một nhà máy sản xuất mở và được sản xuất theo đợt ngắn. Thông thường, những đợt sản xuất này là một phần của một wafer đa dự án (MPW), cho phép các nhà thiết kế linh kiện sản xuất một số lượng nhỏ linh kiện nguyên mẫu trong khi chia sẻ chi phí với các nhà thiết kế khác.

Nguồn sáng công suất cao mới được tích hợp vào PICs của chính chúng (như laser đa chế độ), cũng là một chủ đề nghiên cứu quan trọng và đang ở bờ vực của việc thương mại hóa sớm. Các nhà nghiên cứu và nhà phát triển sản phẩm thiết kế những linh kiện này có thể tích hợp chúng vào một bảng đánh giá tùy chỉnh và xem xét cách chúng kết nối với các IC điện tử tiêu chuẩn. Tất cả những điều này sẽ góp phần thúc đẩy việc áp dụng và phát triển thêm của quang điện tử silicon.

Công cụ sắp xếp và mô phỏng trong Altium Designer cho phép bạn thiết kế PCB cho hầu như bất kỳ ứng dụng nào. Công cụ tạo linh kiện cũng cho phép bạn tích hợp bất kỳ linh kiện độc quyền hoặc thử nghiệm nào—bao gồm cả linh kiện quang điện tử silicon—vào sơ đồ của bạn. Bạn cũng có thể bao gồm dấu chân PCB cho những linh kiện này sử dụng mô hình STEP được thiết kế trong các chương trình mô hình hóa cơ khí.

Liên hệ với chúng tôi hoặc tải xuống bản dùng thử miễn phí nếu bạn quan tâm và muốn tìm hiểu thêm về Altium Designer. Bạn sẽ có quyền truy cập vào các công cụ định tuyến, sắp xếp và mô phỏng tốt nhất trong ngành trong một chương trình duy nhất. Nói chuyện với một chuyên gia Altium hôm nay để tìm hiểu thêm.

About Author

About Author

Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. He currently provides research, design, and marketing services to companies in the electronics industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University and conducted research on random laser theory, materials, and stability. His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental sensors, and stochastics. His work has been published in over a dozen peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written 2500+ technical articles on PCB design for a number of companies. He is a member of IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society, and the Printed Circuit Engineering Association (PCEA). He previously served as a voting member on the INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee working on technical standards for quantum electronics, and he currently serves on the IEEE P3186 Working Group focused on Port Interface Representing Photonic Signals Using SPICE-class Circuit Simulators.

Related Resources

Tài liệu kỹ thuật liên quan

Back to Home
Thank you, you are now subscribed to updates.