Die Integration von Elektronik und Photonik wird Realität

Forscher der University of California, Santa Barbara, gehen mit GF Fotonix™ an die Grenzen

von Gary Dagastine 

In früheren Beiträgen haben wir einige der Kooperationen vorgestellt, die GlobalFoundries (GF) im Rahmen seines University Partnership Program (UPP) mit führenden akademischen Forschern unterhält. Diese Kooperationen sind wichtig, weil sie zu Proofpoints und Referenzdesigns für neue Anwendungen der differenzierten Technologien von GF führen. Sie ergänzen die Arbeit der internen Forschungs- und Entwicklungsteams von GF. 

Die kürzlich vorgestellte GF Fotonix™-Plattform profitiert in vielerlei Hinsicht von der akademischen Forschung, wie wir später in diesem Blogbeitrag erfahren werden. GF Fotonix integriert hochleistungsfähige CMOS-, Hochfrequenz- (HF) und Photonik-Komponenten monolithisch auf einem Chip und hat das Potenzial, viele bestehende Technologien zu verändern. 

Mit GF Fotonix können Kunden innovative elektro-optische Lösungen entwickeln und dabei die Vorteile der 300-mm-Silizium-Fertigungsprozesse von GF nutzen, die innovative Packaging-Lösungen und die für den Erfolg notwendigen Design-Tools ermöglichen. 

Neue elektro-optische Lösungen werden dringend benötigt, da die Datenmengen durch den digitalen Wandel der Gesellschaft exponentiell ansteigen. Elektronikbasierte Lösungen allein können mit dem Bedarf an mehr Kapazität, Geschwindigkeit und Energieeffizienz in Rechenzentren und in der gesamten Kommunikationsinfrastruktur nicht Schritt halten. Photonische oder lichtbasierte Lösungen bieten viele Vorteile, aber es war bisher schwierig, Elektronen und Photonen in einer hochintegrierten, zuverlässigen und kosteneffizienten Weise zusammenzubringen. 

Ted Letavic, Ph.D.

Nicht mehr. "GF Fotonix ist ein großer Schritt in der Systemintegration, denn zum ersten Mal werden Millimeterwellen-Schaltkreise (mmWave) und digitale Systeme mit photonischen Bausteinen auf demselben Stück Silizium integriert. Dies eröffnet viele neue System- und Produktalternativen, zunächst für die Entwicklung optischer Verbindungen der nächsten Generation für Rechenzentren und schließlich für die Disaggregation des Rechenzentrums", so Ted Letavic, GF Corporate Fellow, der das Silicon Photonics Technology Solutions Team von GF leitet und die GF Labs mit Innovationen und technischer Führung versorgt. 

"Wie Sie sich vorstellen können, war es eine schwierige Herausforderung, die Steuerelektronik der 300-GHz-Klasse und die photonischen Elemente so zu gestalten, dass sie gut zusammenspielen", sagte er. Die Integrationsbemühungen von GF wurden durch Praxistests und Benchmarking-Arbeiten unterstützt, die unter anderem von den Professoren James Buckwalter und Clint Schow an der University of California, Santa Barbara (UCSB) durchgeführt wurden. 

Freiform-Design in Silizium 

Neben seiner Nützlichkeit für optische Verbindungen der nächsten Generation, so Letavic, enthält GF Fotonix neuartige photonische Elemente, die zur Entwicklung neuer photonischer Lösungen direkt in Silizium führen werden. 

"Eine andere Gruppe unserer Universitätspartner erforscht den Einsatz mathematischer Designtechniken, um die photonische Leistung zu erhöhen und völlig neue Anwendungen zu erschließen", sagte Letavic. "Diese Techniken werden auch als inverses Design, optisches Transformationsdesign oder Subwellenlängen-Design bezeichnet. Im Wesentlichen entscheidet man, wie sich das Licht in einem photonischen System bewegen muss, um die gewünschte Funktion zu erfüllen, und erstellt dann eine Reihe mathematischer Ausdrücke - ähnlich wie bei der Rückwärtsausbreitung in neuronalen Netzen -, die eine Reihe von physikalischen Koordinaten ergeben, die auf eine physikalische Form in Silizium abgebildet werden, die die gewünschte Leistung erbringt." 

GF und seine universitären Partner haben gute Fortschritte beim Nachweis der Genauigkeit von Strukturen gemacht, die mit diesem Ansatz gebaut wurden. "Wir sind inzwischen so weit, dass wir unsere Process Design Kits (PDKs) und andere Design-Tools so optimieren, dass wir diese 'inversen' Techniken in unseren Design-Flow integrieren können. 

"Es ist wirklich eine völlig neue Art, darüber nachzudenken, wie man Dinge in Silizium entwirft, und stellt das traditionelle photonische Design in seinem Kern in Frage", sagte Letavic. "Es führt uns zu dem, was wir als Freiform-Design bezeichnen, bei dem man jede beliebige Struktur entwerfen kann, die man sich wünscht, und solange sie unseren Grundregeln entspricht, können wir sie bauen. Das ist ein großer Fortschritt, der unseren Kunden neue kreative Möglichkeiten eröffnet, und es ist auch kosteneffizient, weil wir unseren foundry Fluss nicht ändern müssen."  

GF arbeitet mit weiteren universitären Partnern zusammen, um völlig neue Bereiche der Photonik zu erforschen, z. B. photonisches Computing, photonisches Quantencomputing und biomedizinische Anwendungen. "Diese Forschungsteams führen Studien durch, um Zukunftsfragen zu beantworten wie: 'Welche Elemente werden benötigt, um photonisches Quantencomputing in Silizium zu ermöglichen?' 'Wie würde ein COVID-19-Sensor aussehen, wenn er auf Photonik basieren würde? Wir arbeiten zusammen, um zu verstehen, wie GF-Technologien eingesetzt werden können, um diese neuen Grenzen zu überwinden", sagte er. 

Langjährige akademische Partner 

Die Universität von Kalifornien, Santa Barbara, ist eine Hochburg der Forschung im Bereich der Hochfrequenz- und Mixed-Signal-Technologien, und niemand ist ein besseres Beispiel für diesen Schwerpunkt als die beiden dortigen Partner von GF, die Professoren James Buckwalter und Clint Schow. Beide verbindet eine langjährige Zusammenarbeit mit GF, und sie sind auch Partner bei bestimmten Projekten von GF. 

Professor James Buckwalter, Ph.D. 

Buckwalter, ein IEEE Fellow, erforscht Hochfrequenz-Bauelemente an der Schnittstelle von RF, mmWave und Photonik, für Front-End-Schnittstellen, Signalverarbeitung und mmWave-Kommunikation bei 140/220 GHz. Zu den Technologien, die er seit vielen Jahren einsetzt, gehören die FD-SOI- (GF FDX™) und SiGe-Prozesse von GF. "Ich habe im Laufe meiner Karriere mehr als 30 Master- und Doktoranden ausgebildet, die alle mit den Technologien von GF gearbeitet haben und dieses Wissen mit zu ihren Arbeitgebern nehmen", sagte er. 

Schow hingegen hat eher einen photonischen Hintergrund. Als IEEE- und OSA-Fellow arbeitete er zweimal bei IBM, wo er sich mit Technologien vertraut machte, die heute zum Portfolio von GF gehören, wie etwa die 90WG-Silizium-Photonik-Plattform und SiGe BiCMOS. Er arbeitete auch für ein Startup-Unternehmen für abstimmbare Laser in Santa Barbara, was ihn dazu brachte, an der UCSB zu lehren. "Ich habe schon immer an die Technologien von GF geglaubt", sagt er. 

Mehr als die Summe seiner Teile 

Buckwalter sagte, dass sie in ihrer Forschung photonische Geräte und elektronische Schaltungen nicht als zwei getrennte Dinge betrachten, sondern als Elemente eines Werkzeugkastens, die auf verschiedene Weise zusammengesetzt werden können, um Probleme zu lösen, und GF Fotonix hilft ihnen, diesen Ansatz voranzutreiben. 

Professor Clint Schow, Ph.D. 

"Wir haben auf dieses Co-Design hingearbeitet, bei dem wir die photonischen Elemente aufbrechen und sie zum Beispiel als kleine Segmente in elektronische Verstärker einbauen", sagte er. "Wir behandeln sie nicht als getrennte Einheiten, wir brechen einfach alles auseinander, mischen es und setzen es wieder zusammen. Letztendlich denke ich, dass diese Hybridisierung von photonischen und elektronischen Elementen in fünf oder 10 Jahren die Art und Weise sein wird, wie das Design im Hochfrequenzbereich durchgeführt wird. Es geht darum, zwei Dinge zusammenzubringen, um etwas zu erhalten, das mehr ist als die Summe der Teile." 

Laut Schow sind die Design-Handbücher von GF in dieser Hinsicht eine große Hilfe. "Sie waren immer fantastisch und haben uns sehr dabei geholfen, die Grundregeln herauszufinden, damit wir innerhalb dieser Richtlinien forschen können. Sie haben uns geholfen, Dinge wie kundenspezifische Heizelemente zu bauen, die zwar wie Low-Tech-Geräte klingen, aber der Schlüssel zum Tuning von Schaltungen sind, sowie kundenspezifische Phasenschieber zur Optimierung der Leistung. Vom Standpunkt des Verständnisses des physikalischen Designraums aus betrachtet, war es eine großartige Erfahrung", sagte er. 

Kohärente optische Kommunikation mit geringer Leistung 

Ein gutes Beispiel für ihren hybriden Ansatz ist ein Projekt der beiden, das sich mit der Erzeugung und Erkennung von Breitbandwellenformen für den Einsatz von kohärenter Optik in Rechenzentren befasst. Die Technologie der kohärenten Optik wird als Möglichkeit gesehen, die Datenmenge, die Licht durch ein Glasfaserkabel in einem Rechenzentrum transportieren kann, drastisch zu erhöhen, indem die Amplitude und Phase des Lichts moduliert (d. h. geändert) und über zwei verschiedene Polarisationen übertragen wird.

Dazu ist eine digitale Signalverarbeitung sowohl beim Sender als auch beim Empfänger erforderlich, und die Forscher nutzen GF Fotonix für diese Arbeit. "Die kohärente Optik wird bereits für die Datenübertragung über große Entfernungen eingesetzt, was jedoch sehr viel Energie erfordert. Unser Ziel ist es, den Energieverbrauch so gering zu halten, dass er für Kurzstrecken-Kommunikationsverbindungen in Rechenzentren verwendet werden kann, um die Netzwerkarchitektur zu verbessern", so Schow. 

"Der Aufbau kompletter kohärenter Link-Subsysteme ist jedoch sehr schwierig. Auf der Elektronikseite braucht man sehr effiziente Hochschwingungstreiber, die mit photonischen Modulatoren integriert sind, um Signalwellenformen zu erzeugen, und auf der Empfängerseite braucht man einen vollständigen photonischen Hybrid, um die Wellenformen zu trennen und mit der Hochgeschwindigkeitselektronik zu verbinden", sagte er. "Es gibt also auf beiden Seiten hochintegrierte Schaltkreise; in der Mitte befinden sich hochintegrierte photonische Schaltkreise, die so konzipiert sein müssen, dass sie mit den Empfänger-/Sender-Subsystemen zusammenarbeiten; und sie müssen auch als vollständiges Bindeglied fungieren, das alles zusammenführt. 

"Dies zwingt uns als Fakultätsberater und auch unsere Studenten dazu, einen breiten Überblick zu haben. Ich denke, dass die Studierenden gut gerüstet sind, um in der Branche etwas zu bewegen, und natürlich werden sie alle mit den GF-Technologien vertraut sein, die dies möglich machen", so Schow. 

Blick nach vorn 

Buckwalter sagte, dass die mit mmWave-Elektronik integrierte Silizium-Photonik in Zukunft in vielen Bereichen eine immer wichtigere Rolle spielen wird. Einer davon ist der unaufhaltsame Vormarsch der drahtlosen mmWave-Kommunikation auf Frequenzen von 200 GHz-300 GHz und darüber. 

"Es gibt eine Kluft zwischen den oberen Bereichen des mmWave-Spektrums und den Wellenlängen des infraroten und sichtbaren Lichts. Die Silizium-Photonik wird hier eine sehr wichtige Rolle spielen, weil die Verluste bei diesen Frequenzen so groß sind, dass eine Kombination aus Photonik und Elektronik erforderlich ist, um Informationen verlustarm zu übertragen", sagte er.

"Und während es eine Menge interessanter Anwendungen für mmWave-fähige Photonik geben wird, wird es auch andersherum funktionieren: Photonik ermöglicht mmWave. Für die Mobilfunknetze der Zukunft müssen wir zum Beispiel einen immer höheren Dynamikbereich über extrem große Bandbreiten aufweisen, und die Elektronik allein kann diese Herausforderungen niemals bewältigen", so Buckwalter. 

Schow sagte, dass die Integration von Elektronik und Photonik unvermeidlich ist, egal ob es sich um eine hybride Art der Integration handelt, bei der die Dinge nahe beieinander liegen und dicht aneinander gepackt sind, oder um einen monolithischen Ansatz. 

"Die etablierte Art, Dinge zu tun, will nie sterben. Aber ich denke, wir sehen das gerade jetzt", sagte er.