אבני דרך: "השלב הבא הוא סיליקון פוטוניקס בשבב"

8 דצמבר, 2015

מנהל תוכנית Optical I/O בחברת המחקר הבלגית imec, מסביר בכתבה מיוחדת ל-Techtime מה הם המכשולים המרכזיים היום בדרך לתקשורת אופטית בתדרי טרהרץ, וכיצד צריך להתגבר עליהם

Share via Whatsapp

מנהל תוכנית Optical I/O בחברת המחקר הבלגית imec, מסביר בכתבה מיוחדת ל-Techtime מה הם המכשולים המרכזיים היום בדרך לתקשורת אופטית בתדרי טרהרץ, וכיצד צריך להתגבר עליהם

IMEC-SILICON-PHOTONICS
מקמ"ש אופטי מבוסס סיליקון שיוצר ב-imec

מאת: יוריס ואן קמפנהוט *

IMEC OPTICALתקשורת נתונים אופטית היא הפתרון המרכזי לאתגר הגידול המתמיד בתעבורת הנתונים. כיום, מרכזי הנתונים משתמשים במאות אלפי קישורים אופטיים המקשרים בין השרתים ומספקים קצבי העברת נתונים של עד 40Gb/s.

בשנים הקרובות הטכנולוגיה הזו צריכה להשיג ביצועים טובים יותר: להגיע לקצב של 100Gb/s ב-2016, ולקצב של 400Gb/s עד 2019 ובעתיד הרחוק יותר להגיע אף לקצבי Terabit/s – במחיר מכסימלי של דולר אחד לכל Gb/s.

קישורים אופטיים ישמשו גם להעברת מידע למרחקים קצרים מאוד – בתוך מסד השרת עצמו, על-גבי המעגל המודפס, ואפילו בתוך השבב. והאתגר כאן אפילו קשה יותר. במצב הזה אנחנו זקוקים לטכנולוגיה ברת הרחבה בעלת צריכת הספק נמוכה מאוד (פחות מפיקו-ג'אול לביט) הניתנת לייצור בכמויות גדולות ובמחיר נמוך.

ב-imec אנחנו משתמשים בטכנולוגיית סיליקון פוטוניקס (silicon photonics) כדי לייצר מקמ"שים אופטיים. השנה הראינו שמבחינת הביצועים הטכנולוגיה שלנו ניתנת להרחבה: ביצענו הדגמה של מספר אבני בניין, כמו silicon ring modulator, ermanium-based electro-absorption modulator, מסנן ריבוב וגלאי אופטי מבוסס גרמניום על סיליקון, שהשיגו קצבי העברת נתונים של 50Gb/s. באמצעות ריבוב האותות בשמונה אורכי גל שונים, ייצרנו מודולים אופטיים העובדים בקצב של 400Gb/s.

השגת 400Gb/s באמצעות ריבוב
השגת 400Gb/s באמצעות ריבוב

אופטיקה בפרוסת סיליקון

הטכנולוגיה הזו מאפשרת להגיע בעתיד גם לקצבי תקשורת של טרהביט, למשל באמצעות שימוש בטכנולוגיות ריבוב מתקדמות יותר. כאשר פלטפורמת הסיליקון פוטוניקס הזו תיוצר על-גבי פרוסות סיליקון בקוטר של 300 מ"מ, נוכל לשפר את הביצועים האופטיים של הפלטפורמה ולהתאימה לטכנולוגיות השילוב התלת מימדיות (3D integration) המתקדמות ביותר המצויות כיום בשוק.

אבל אם אנחנו רוצים לעמוד במחיר המטרה, יש צורך לבצע מאמצים נוספים, במיוחד בתחום ההרכבה והמארזים של הטכנולוגיה. הקישור והכיוונון של המודולים השונים מהווים גורם מרכזי בהגדלת העלויות. יש לטכנולוגיה שלנו יתרונות רבים בהשוואה לשימוש ברכיבים אופטיים דיסקרטיים. מעגלים משולבים הכוללים מודולטורים, מסננים וגלאים בשבב יחיד פועלים במשותף בלא צורך בכיוונון והתאמה.

IMEC-SILICON-CHIP

השנה הדגמנו את האינטגרציה של אבני בניין והראינו שהפתרון שלנו עובד ברמת המערכת ובמתחי עבודה נמוכים מאוד. אלא שבעיית הכיוונון של הסיב האופטי עדיין מהווה אתגר רציני. היום אננו משתמשים בטכניקת התאמה אקטיבית: אנחנו שולחים אות דרך הסיב, מצמדים בין הסיב לשבב, וברגע שהצימוד מושלם אנחנו מדביקים אותם אחד לשני.

פיתרון כזה הוא איטי מאוד ויקר. כדי לייצר את המודולים האופטיים בכמויות גדולות, אנחנו זקוקים להתאמה פסיבית, הניתנת להשגה רק כאשר יש יתירות גדולה יותר בממשק שבין הסיב לשבב. כיום, רמת הדיוק הדרושה בכיוונון היא עדיין גבוהה מדי, בסדר גודל של מיקרון אחד ואף פחות מזה.

גם הלייזרים אשר מייצרים את האות הנושא את הנתונים, מציגים בעיה דומה. העתיד הוא של כיוונון פסיבי ולייזרים הניתנים לשילוב קל. בטווח הארוך יותר אנחנו צריכים לפתח לייזרים שהם כבר משולבים בתוך הרכיב (monolithically integrated lasers), שניתן לגדל אותם ישירות על מצע הסיליקון. בצורה הזו לא נצטרך לבצע הרכבות של הלייזר על הפרוסה. בשיתוף פעולה עם אוניברסיטת גנט, הצגנו השנה התקדמות בכיוון הזה, כאשר ייצרנו מערך של לייזרי אינדיום פוספט שגודלו ישירות על-גבי מצע סיליקון בקוטר של 300 מ"מ.

* יוריס ואן קמפנהוט הוא מנהל תוכנית Optical I/O ב-imec, המתמקדת בפיתוח טכנולוגיית interconnect אופטית המבוססת על סיליקון פוטוניקס. 

פורסם בקטגוריות: אלקטרואופטיקה , דעות , חדשות , סמיקונדקטורס