Fotoniczne układy scalone (PIC) to optyczne systemy mikrochipów z komponentami optycznymi, wykorzystującymi do transmisji danych światło (fotony) zamiast elektronów. Transmisja przy pomocy elektronów stanowi podstawę tradycyjnych układów scalonych (IC), znanych również jako elektroniczne układy scalone (EIC). To fundamentalne przejście od sygnałów elektronicznych do fotonowych umożliwia przesyłanie danych z prędkością światła, co skutkuje znacznie wyższymi prędkościami transmisji i większą przepustowością w porównaniu z EIC, które są ograniczone mobilnością elektronów. Bezmasowe fotony mogą być przesyłane bez takich samych strat rezystancyjnych, jak w przypadku tradycyjnych układów scalonych, co prowadzi do mniejszego zużycia energii i grzania się układu. Dzięki wykorzystaniu światła, układy PIC są również odporne na zakłócenia elektromagnetyczne. Własności te umożliwiają uzyskanie szybkiej i niezawodnej transmisji danych.

Fotonika krzemowa to specjalistyczna dziedzina integrująca komponenty fotonowe na podłożu krzemowym, tworzące zaawansowane systemy optyczne. Pozwalają one lepiej wykorzystać właściwości krzemu i innych materiałów, takich jak azotek krzemu (SiN) i układy typu krzem na izolatorze (SOI), w celu uzyskania wysokowydajnych elementów optycznych, takich jak światłowody i modulatory.

W przeciwieństwie do elektroniki, w której tranzystory zwykle są uważane za podstawowe komórki funkcjonalne, układy PIC takiego dominującego komponentu nie mają. Fotonika krzemowa może obejmować takie komponenty jak: lasery, światłowody, modulatory, fotodetektory, sprzęgacze, przełączniki, rezonatory oraz multipleksery/demultipleksery. Sprawia to, że projektowanie i wytwarzanie układów PIC jest bardziej skomplikowane.

Ponadto, transmisja fotonowa nie wymaga przepływu prądu elektrycznego tworzonego przez stałe nośniki, dlatego możliwa jest w tym przypadku transmisja w wolnej przestrzeni. Na przykład stosując LiDAR do wykrywania rzeczywistej sceny w przestrzeni 3D można tworzyć chmury punktów 3D do różnych zastosowań.

Dlaczego układy PIC i fotonika krzemowa zyskują na znaczeniu?

Rozwój sztucznej inteligencji (AI) i rosnące wymagania centrów danych znacząco przyciągnęły uwagę w kierunku układów PIC i fotoniki krzemowej. Technologie te umożliwiają prowadzenie transmisji danych o bardzo dużych prędkościach, wymaganych przez akceleratory AI i nowoczesne centra danych. Będą one nadal zwiększały zapotrzebowanie na efektywną, wysokopasmową komunikację. Układy PIC i fotonika krzemowa mają tu kluczowe znaczenie.

Wraz z coraz większym stopniem złożoności i rozmiarem algorytmów AI oraz zbiorów danych, wzrośnie zapotrzebowanie na nadajniki o wyższej wydajności i transceivery fotonowe.

Postępy w materiałach do fotoniki krzemowej

Do wytwarzania fotonicznych układów scalonych (PIC), przeznaczonych do różnych zastosowań, wykorzystane są właściwości półprzewodnikowe krzemu. Podstawowe materiały używane w takich układach scalonych to krzem, krzemionka (szkło) oraz materiały wybrane w celu pokonania naturalnych ograniczeń krzemu.

Do pasywnych elementów w fotonicznych w układach scalonych z krzemem, powszechnie jest stosowany azotek krzemu (SiN). Decydują o tym  niskie straty optyczne i szeroki zakres długości fal. SiN jest idealny do tworzenia falowodów i innych pasywnych urządzeń wymagających wysokiej mocy optycznej. Podłoża SOI stanowią podstawowy materiał dla wielu krzemowych układów fotonicznych, umożliwiając integrację wielu komponentów fotonicznych na jednym chipie.

Dla generowania światła w fotonice krzemowej kluczowe znaczenie mają lasery. Mogą być zintegrowane z krzemowymi chipami fotonicznymi przy użyciu różnych metod. Są to np. wiązania flip-chip, integracja heterogeniczna i epitaksjalny wzrost materiałów III-V na podłożach krzemowych. Głównym problemem jest to, jak zintegrować układy fotoniczne, np. lasery, z klasycznymi krzemowymi procesami CMOS i opracować zaawansowane obudowy takich elementów. Materiałem podstawowym dla laserów do fotoniki krzemowej nadal są związki półprzewodnikowe III-V, takie jak fosforek indu (InP).

Innym, trudnym do rozwiązania problemem, są zagadnienia związane z modulatorami krzemowymi i ich ograniczeniami. Nowe materiały, takie jak tytanian baru i cienkowarstwowy niobian litu na izolatorze, są badane ze względu na ich efekt Pockelsa (Efektem Pockelsa nazywa się liniowy efekt elektrooptyczny, czyli inaczej mówiąc dwójłomność wymuszoną. Zjawisko polega na zmianie współczynnika załamania światła proporcjonalnie do zewnętrznego pola elektrycznego.), który pozwala na szybką modulację przy niższych napięciach zasilania i większej szerokości pasma.

Fotodetektory w tradycyjnych modułach optycznych są często oparte na związkach III-V, takich jak InP. Jednak krzemowe fotoniczne układy scalone zmierzają w kierunku detektorów krzemowo-germanowych (SiGe), które mogą być łatwiej z nimi zintegrowane. Detektory SiGe są szczególnie skuteczne w zastosowaniach wymagających wysokiej prędkości, a dodatkową zaletą jest ich kompatybilność  ze standardowymi procesami CMOS, co zmniejsza koszty i ułatwia ich wytwarzanie.

Pojawianie się optyki współpakowanej z tradycyjną elektroniką

Ciągle rosnące zapotrzebowanie na większą przepustowość oraz szybsze prędkości transmisji, zwłaszcza w telekomunikacji i centrach danych, zmotywowało rozwój fotoniki krzemowej i układów PIC.

Tradycyjna komunikacja, przez miedziany Ethernet, osiągnęła ograniczenia przepustowości i strat energii na dłuższych odległościach. Wyższą wydajność energetyczną transferu danych osiągnięto dzięki technologii światłowodowej i transmisji optycznej. Początkowo dotyczyło to sieci długodystansowych, a obecnie również infrastruktury centrów danych.

Do połączeń kabli światłowodowych wykorzystywane są wtykowe moduły optyczne. Zawierają one sprzęgacz optyczny (OE), który konwertuje sygnały optyczne na sygnały elektryczne i odwrotnie. Moduły te mają interfejs elektryczny, służący do połączenia ich z układem ASIC przełącznika/routera w urządzeniu sieciowym poprzez włożenie ich do złącza zamocowanego na krawędzi płytki drukowanej oraz na przednim panelu urządzenia sieciowego.

Układy PICs zostały już zaadoptowane w systemach transmisji danych i telekomunikacji. Przemysł przeszedł już od podłączanych transceiverów optycznych do optyki pokładowej, w której sprzęgacz OE oraz układ przełączający są montowane na tej samej płycie systemowej. Jednym z najnowszych trendów jest przejście do optyki współpakowanej (COP), w której sprzęgacz OE jest zintegrowany w tej samej obudowie co ASIC przełącznika. Ma to na celu pokonanie problemów związanych z ograniczeniem wydajności, zużycia energii i wielkości. Skraca to odległość między szybkimi elektrycznymi łączami Serializator/Deserializator (SerDes) do kilku milimetrów, co prowadzi do zmniejszenia ogólnego zużycia energii oraz wydzielania ciepła w układach wejścia/wyjścia, znacząco redukując opóźnienia, zwiększając przepustowość oraz poprawiając integralność sygnału.

COP redukuje odległość transmisji sygnałów elektrycznych, prowadząc do zwiększenia wydajności i niższego zużycia energii. Integracja taka jest szczególnie korzystna dla układów scalonych o wysokiej gęstości i biorąc pod uwagę ciągle rosnące szybkości transmisji danych, jest istotnym trendem w branży.

W tradycyjnych projektach, transceivery optyczne są wymiennymi modułami, które łączą się z układem ASIC przełącznika poprzez stosunkowo długie ścieżki elektryczne.

Technologia COP może być wykorzystana w przełącznikach Ethernetowych do wsparcia wyższych szybkości transmisji danych. Integruje składowe optyczne bezpośrednio z ASIC przełącznika w jednej obudowie, osiągając wyższą wydajność przy niższym opóźnieniu i mniejszym zużyciu energii.