Перетворення кремнієвих фотонних інтегральних схем у фотонні пристрої

  

   Спеціалізовані багатопроектні пластини (MPW) для фотонних інтегральних схем (PIC) від кремнієвих ливарних заводів означають, що дослідники та малі та середні підприємства (МСП) тепер можуть дозволити собі проектувати та виготовляти кремнієві фотонні чіпи. Хоча ці чисті Si-PIC є достатніми для тестування нових пристроїв та схем на зондовій станції, їх не можна розробити в прототипи пристроїв або протестувати поза лабораторією без попереднього пакування в міцний модуль. Фотонне пакування PIC є значно складнішим і наразі на порядок дорожчим, ніж електронне пакування, оскільки воно вимагає надійного вирівнювання оптичних компонентів на мікронному рівні, точного контролю температури в режимі реального часу та часто високого ступеня вертикальної та горизонтальної електричної інтеграції. Фотонне пакування, мабуть, є найважливішим вузьким місцем у розробці комерційно значущих інтегрованих фотонних пристроїв. У цій статті описується, як можна задовольнити ключові оптичні, електричні та теплові вимоги до пакування Si-PIC, і який подальший прогрес необхідний для досягнення промислового масштабування.

    Протягом останнього десятиліття кремнієва фотоніка просувається як платформа для потенційно революційних досягнень у галузях телекомунікацій, передачі даних, медичних технологій, безпеки та сенсорних систем. Основною рушійною силою кремнієвої фотоніки є потенціал реалізації невеликих, високоінтегрованих фотонних підсистем, які використовують багаторічний досвід виготовлення, технології та масштабованість, вже розроблені для КМОП-електроніки (комплементарної металооксидної напівпровідникової електроніки). Зрештою, метою є розробка недорогих високопродуктивних фотонних інтегральних схем (ФІС) з інтегрованою електронікою, щоб одночасно отримати доступ до всього потенціалу кремнієвої платформи, тобто кремнієвої фотоніки для високошвидкісної передачі сигналів та сенсорних систем, а також КМОП-електроніки для подальших логічних операцій та обчислень.

   Дослідники продемонстрували вражаючий масив Si-фотонних елементів, які тепер доступні як кваліфіковані «будівельні блоки» в багатопроектних серіях пластин (MPW), що пропонуються кількома кремнієвими ливарними заводами. До них належать одновимірні (1D) та двовимірні (2D) ґраткові відгалужувачі, широкосмугові крайові відгалужувачі, смугові/реберні хвилеводи та перехрестя, багатомодові інтерференційні (MMI) розгалужувачі, ешелонні та макетні хвилеводні (AWG) мультиплексори/демультиплексори, термічно настроювані мікрокільцеві резонатори, високошвидкісні Ge фотодіоди, термооптичні фазообертачі, електроабсорбційні модулятори (EAM) тощо. Буквально тисячі цих фотонних елементів, і, можливо, десятки простих конструкцій Si-PIC (фотонних інтегральних схем), можуть бути розміщені на одному «блоці» MPW (зазвичай 10–30 мм ² ), який зазвичай використовується академічними дослідниками та малими та середніми підприємствами (МСП) як випробувальний майданчик для фотонних розробок. Однак розробка інноваційних PIC та демонстрація їхньої функціональності в лабораторних умовах, або на оптичному стенді, або на зондовій станції, є лише першим кроком до реалізації корисних пристроїв, які можуть залучити інвестиції та викликати інтерес і цінність на ринку. Дуже часто технічні проблеми, пов'язані з перенесенням Si-PIC з лабораторії на пристрій, недооцінюються або навіть повністю ігноруються на етапі проектування Si-PIC, що призводить до значного зниження продуктивності та невиправдано високих витрат на виготовлення прототипів першого покоління.

   «Фотонне пакування» – це загальний термін, що використовується для опису ряду методів та технічних компетенцій, необхідних для створення оптичних, електричних, теплових, механічних (а іноді й хімічних) з'єднань між PIC та зовнішнім світом. Хоча оптоволоконне з'єднання PIC є, мабуть, найвідомішим аспектом фотонного пакування, ця галузь також включає інтеграцію лазерних чіпів, мікрооптики, електронних чіпів та мікрофлюїдики на PIC; високошвидкісне (25 Гбіт/с) маршрутизування та узгодження імпедансу ліній передачі від зовнішніх роз'ємів до мікроскопічних фотонних компонентів на PIC; а також ефективне теплове охолодження та термостабілізацію, необхідні для підтримки PIC у межах його робочого діапазону – див. Рисунок 1 та Рисунок 2 .

  

Рисунок 1. Схема Si-PIC (фотонної інтегральної схеми), що містить багатоканальну квазіпланарно зв'язану (QPC) волоконну решітку, гібридно-інтегроване лазерне джерело на основі мікрооптичної лави (MOB), вертикально інтегровану електронну інтегральну схему (EIC) та термоелектричний охолоджувач. Електричні з'єднання між PIC та друкованою платою (PCB) виконані за допомогою дротяних контактів, тоді як з'єднання між PIC та EIC виконані за допомогою мідних стовпчиків (CPB).

  

Рисунок 2. Приклади корпусованих фотонних модулів; ( a ) Одноканальний PIC з паралельною електронною інтеграцією; ( b ) Оптичний мережевий блок (ONU) проекту FP7-FABULOUS; ( c ) Одноканальний вхідний/вихідний фотонний модуль з вертикально інтегрованим електронним чіпом; ( d ) 8-канальний приймач-передавач для проекту FP7-PLAT4M. 

     Хоча задоволення будь-якої з цих вимог до фотонної упаковки може бути тривіальним, особливо з інструментами та ресурсами лабораторного середовища, їх може бути важко реалізувати в надійному, автономному пристрої для створення прототипів у польових умовах. Це особливо стосується більш просунутих фотонних пристроїв, де одночасно потрібна кілька різних видів упаковки, тобто багатоканальне з'єднання оптоволокна з PIC, вертикально інтегрований драйвер-чіп, високошвидкісне з'єднання та термоелектричний охолоджувач. Щоб забезпечити повну функціональність цих пристроїв після виготовлення та складання, необхідно заздалегідь, на етапі проектування Si-PIC, прийняти правила проектування упаковки (PDR). У цій статті наведено огляд різних оптичних, електричних та теплових міркувань для успішної фотонної упаковки як «вступ» до PDR, який також висвітлює деякі сучасні тенденції, що допомагають масштабувати упаковку до комерційних обсягів фотонних пристроїв.