Een nieuwe generatie fotonisch-elektronische geïntegreerde circuits
Een mogelijke doorbraak in de optische communicatie
Wereldwijd groeit het internetverkeer opgeteld met 24% per jaar, om in 2021 3.3 zettabytes per jaar te bereiken. Optische communicatie met hoge snelheid is hard nodig in deze wereld van continue verbinding. Om deze groei bij te kunnen houden zijn ontwikkelingen in de productie van optische zendontvangers (transceivers) cruciaal. Promovendus Xiao Lui, van de TU/e-faculteit Electrical Engineering, heeft nieuwe manieren onderzocht om de elektronische circuits en fotonische apparaatjes die samen een optische transceiver vormen te integreren. Hij promoveert hierop op 1 december 2020.
De elektronische en fotonische componenten van optische transceivers worden vaak met verschillende fabricagemethoden gemaakt en later geïntegreerd, of samengevoegd. Door de ontwikkeling van optische communicatiesystemen die hogere snelheden en verdere reductie in kosten en stroomverbruik vereisen, is deze manier van samenvoegen een significante bottleneck geworden voor de prestaties van gecombineerde elektronisch-fotonische systemen. Nieuwe, kleinere integratietechnieken zijn nodig, die geen invloed hebben op de prestaties van optische tranceivers of hun stroomverbruik.
Liu heeft een nieuwe 3D fotonisch-elektronische integratietechnologie ontwikkeld op waferschaal, na onderzoeken van verschillende methoden om elektronische circuits en systemen te maken. Met deze nieuwe integratietechnologie wordt de fotonische wafer bovenop de elektronische wafer gelijmd door middel van polymeerhechting. Daarna worden elektrische contacten aangebracht door het polymeer heen.
Van gelijkspanning naar wisselspanning
Liu's eerste stap was het ontwikkelen van een nieuwe ontwerpmethodologie voor optische modulator drivers met hoge snelheid. Over het algemeen is het ontwerp van de versterker gericht op parameters in het frequentiedomein, zoals bandbreedte, variatie bij groepsvertraging, lineariteit, etc. Maar de specificaties van de driver zijn meestal beschreven in het tijdsdomein, zoals datasnelheid, oogdiagrammen, etc. De nieuwe methodologie die Liu voorstelt richt zich op de links tussen de twee domeinen. Daarna heeft hij verschillende ontwerptechnieken voor schakelingen toegepast om de frequentiedomeinspecificaties te verbeteren, met het doel om in het tijdsdomein een hoge datasnelheid en oogdiagrammen van hoge kwaliteit te bereiken. Zo is het gelukt om een gedistribueerde driver te maken die een snelheid van wel 56 Gbaud PAM4 (112 Gb/s) bereikt.
Liu's tweede onderzoeksonderwerp was de driver-modulatorinterface bij integratie op waferschaal. De meeste huidige fotonische modulators gebruiken gelijkspanning als ruststroom om optimaal te kunnen presteren. Dit heet het 'AC-coupled scheme' en is makkelijk toe te passen door draadverbindingen en externe componenten voor opbouwmontage. De stap richting 3D-integratie op waferschaal maakt het gebruik van externe componenten onmogelijk: de interface tussen driver en modulator bevindt zich binnenin de module. Daarom is een DC-coupled scheme nodig, waarbij er een directe verbinding is tussen de output van de driver en de input van de optische modulator. Liu stelt twee nieuwe DC-coupled driver schemes voor; eentje die de compactheid van Mach-Zehnder modulator (MZM) transmitters kan verbeteren en eentje die rekening kan houden met de verschillende modulatieformats en fabricagetoleranties van MZMs.
Deze voorgestelde methodologieën en de 3D elektronisch-fotonische integratietechnologie op waferschaal zijn beide zeer veelbelovend voor de toekomst van optische communicatie.
Titel van de dissertatie: Broadband distributed drivers for 3D photonic-electronic wafer-scale packaging. Promotors: Marion Matters-Kammerer (TU/e), Domine Leenaerts (TU/e, NXP)