Nederlands
Menu

Wat is Fotonisch-elektronische convergentie?

Technologieën en aanpak om optische en elektronische schakelingen zeer dicht bij elkaar of als één geheel te integreren en elektrische bedrading door licht te vervangen. Het doel is optische verbindingen uit te breiden van tussen apparaten naar tussen printplaten en tussen chips, en zo het verbruik te verlagen. De term wordt vooral in Japan gebruikt.

Japanse benaming: 光電融合

“Fotonisch-elektronische convergentie” komt voor in 2 oefenvragen uit 2 onderwerpen, bijv. Verbindingshalfgeleiders, Geavanceerde technologieën (3D-integratie, chiplets).

Vakgebied: Siliciumfotonica

Waarom optiek dicht bij de elektronica komt

Elektrische bedrading verliest meer naarmate signalen sneller en afstanden langer worden, en de schakelingen die dat compenseren verbruiken vermogen. Het verlies in een glasvezel of golfgeleider is op de afstanden van een datacenter vrijwel onafhankelijk van de lengte, en golflengtemultiplexing brengt veel signalen op één vezel. Anderzijds vraagt het optisch verzenden van gegevens om elektrisch-optische omzetting, wat ook vermogen kost. Fotonisch-elektronische convergentie brengt optische componenten direct naast elektronische schakelingen om lange elektrische bedrading te vermijden en het omzettingsvermogen te verlagen, en verkort zo de afstand waarboven optiek de betere keuze is.

Optiek over steeds kortere afstanden

Optische verbindingen hebben zich verspreid van communicatie over lange afstand naar verbindingen tussen apparaten in een datacenter en tussen printplaten in een rack. De volgende stappen zijn co-packaged optics (CPO), dat optische transceivers in dezelfde package als een switch-IC plaatst, en optische I/O bij de chip, die chips rechtstreeks met licht verbindt. Binnen zijn IOWN-initiatief heeft NTT een plan voorgesteld om met componenten voor fotonisch-elektronische convergentie optische verbindingen stap voor stap uit te breiden van tussen datacenters naar tussen printplaten, tussen chips en uiteindelijk binnen chips (stand van het midden van de jaren 2020).

Ondersteunende technologieën

Centraal staat siliciumfotonica, die een optische golfgeleider, modulatoren en fotodetectoren integreert met dezelfde productietechnologie als CMOS. Omdat silicium slecht licht uitzendt, worden lasers van samengestelde halfgeleiders zoals InP erop gebond, of wordt licht van buitenaf toegevoerd. Ook het stapelen van optische chips met elektronische chips zoals drivers en TIA's voor korte verbindingen, en assemblagetechnologie die veel vezels met hoge precisie aansluit, zijn onmisbaar.

Uitdagingen

Optische componenten zijn temperatuurgevoelig en moeten naast hete processors stabiel worden gehouden. De betrouwbaarheid van lasers, het testen vóór assemblage van onderdelen die niet kunnen worden vervangen, en de kosten en opbrengst van het aansluiten van vezels zijn verdere kwesties. Zolang de elektrisch-optische omzetting niet efficiënt genoeg is, blijft elektrische bedrading over zeer korte afstanden beter. Hoe ver optiek bedrading kan vervangen, hangt af van verbeteringen in omzettingsrendement en packagingkosten.

Nu oefenen: vragen over Fotonisch-elektronische convergentie

Waarom wordt in siliciumfotonica een verbindingshalfgeleider gecombineerd met de laserlichtbron?

  1. AOmdat silicium helemaal geen licht doorlaat
  2. BOmdat verbindingshalfgeleiders altijd goedkoper zijn
  3. COmdat silicium een indirecte bandovergang heeft en niet efficiënt licht kan uitzenden
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Omdat silicium een indirecte bandovergang heeft en niet efficiënt licht kan uitzenden

In silicium kunnen optische golfgeleiders, modulatoren en op germanium gebaseerde fotodetectoren met hoge nauwkeurigheid en in grote aantallen in een CMOS-fabriek worden gemaakt, maar door de indirecte bandovergang vormt silicium geen efficiënte lichtbron. Daarom worden lasers op basis van InP en dergelijke op de siliciumwafer gebonden (heterogene integratie) of als afzonderlijke chip gecombineerd tot lichtbron. Als technologie voor optische verbindingen in datacenters voor AI ontwikkelt de integratie van optica en elektronica zich snel.

Hoe heet de techniek waarbij een switch-IC en optische zend- en ontvangstcomponenten dicht bij elkaar in hetzelfde package worden gemonteerd om de elektrische bedrading te verkorten en het vermogensverbruik te verlagen?

  1. ACo-packaged optics (CPO)
  2. BBGA
  3. CQFP
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Co-packaged optics (CPO)

In datacenters vormt, met de toename van het dataverkeer, het vermogensverbruik voor het overbrengen van elektrische signalen van de switch-IC naar de optische modules aan de voorzijde een probleem. Bij CPO worden optische zend- en ontvangstcomponenten in hetzelfde package geplaatst als de switch-IC enz., waardoor de elektrische transmissieafstand tot circa enkele mm wordt verkort en vermogensverbruik en signaaldegradatie afnemen. Het is een van de technieken voor opto-elektronische integratie. BGA en QFP zijn gewone packagevormen.

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen fotonisch-elektronische convergentie en siliciumfotonica?

Siliciumfotonica is de technologie om optische schakelingen te maken met productieprocessen voor silicium. Fotonisch-elektronische convergentie verwijst naar de bredere aanpak om zulke technologieën te gebruiken om optische en elektronische schakelingen nauw te combineren en elektrische bedrading door licht te vervangen.

Hoe hangt het samen met CPO?

CPO, dat optische transceivers in dezelfde package als een switch-IC plaatst en het elektrische pad tot enkele millimeters verkort, is een typische vorm van fotonisch-elektronische convergentie. Latere stappen hebben tot doel verbindingen tussen en binnen chips optisch te maken.

Hoe heet het in het Engels?

De term wordt vooral in Japan gebruikt; NTT schrijft hem in het Engels als Photonics-Electronics Convergence (PEC). In Engelstalige contexten wordt vergelijkbaar werk vaak beschreven met specifieke technologienamen zoals co-packaged optics of optische I/O.

“Fotonisch-elektronische convergentie” in de toelichting

Vragen met “Fotonisch-elektronische convergentie” (2)

  1. Waarom wordt in siliciumfotonica een verbindingshalfgeleider gecombineerd met de laserlichtbron?
  2. Hoe heet de techniek waarbij een switch-IC en optische zend- en ontvangstcomponenten dicht bij elkaar in hetzelfde package worden gemonteerd om de elektrische bedrading te verkorten en het vermogensverbruik te verlagen?

Verwante termen

Siliciumfotonica CMOS Indirecte bandovergang (indirect bandgap) InP (indiumfosfide) CPO (co-packaged optics) BGA QFP (quad flat package) Brekingsindex C-band Chromatische dispersie

Naar de woordenlijst