Thermisch beheer van geïntegreerde CMOS-Si fotonica optische ontvangers en zenders

De afgelopen decennia is het internetverkeer exponentieel gegroeid. De belangrijkste infrastructuur achter het internet zijn datacenters, waar gegevens centraal worden opgeslagen en verwerkt. Het transporteren van grote hoeveelheden gegevens binnen het datacenter vereist een aanzienlijke hoeveelheid energie. Om de energie-efficiëntie van gegevenstransport te verbeteren, worden de klassieke elektrische verbindingen vervangen door optische vezels. Traditionele elektrische input-output (I/O) kampt met meerdere knelpunten: de bandbreedte-afstand-vermogensverhouding en het aantal pinnen op de chip. Siliciumfotonica, de technologie om geïntegreerde fotonische circuits te fabriceren met behulp van CMOS-procestechnologie, belooft deze knelpunten te verlichten en te zorgen voor optische I/O-verbindingen met een lage propagatieverlies en een hoge bandbreedte.

Recente ontwikkelingen in verpakkingstechnologieën voor chips maken de nauwe integratie van Si-fotonica-transceiverchips met de host-chip in een enkel chippakket mogelijk. Deze co-verpakte optische chips maken de hoge hoge bandbreedte en energie-efficiëntie mogelijk door de fysieke afstand tussen de de optische chip en host-chip te minimaliseren. De Si-fotonische componenten binnenin de chip zijn echter zeer gevoelig aan veranderingen in omgevingstemperatuur, bijvoorbeeld veroorzaakt door de niet-uniforme vermogenontwikkeling in de host-chip, de lasers en de optische componenten zelf. Temperatuursveranderingen kunnen een golflengteverschuiving veroorzaken in fotonische componenten, wat leidt tot een verlies van kwaliteit in het optische signaal. Ook de laser zal degraderen bij hoge temperatuur: de betrouwbaarheid en efficiëntie nemen af. Dit alles wordt aangehaald om het belang van het thermisch beheer van fotonische chips te onderstrepen.

In het eerste deel van de thesis bestuderen we het thermische gedrag van fotonische componenten die worden gebruikt in optische transceivers. Componenten die uit een ring bestaan (d.w.z. ringmodulatoren en filters) moeten nauwkeurig afgesteld worden op de golflengte van de laser. Om golflengtevergrendeling te bereiken, wordt de golfgeleidertemperatuur geregeld met geïntegreerde verwarmingselementen. Door middel van thermo-optische modellering worden strategieën voorgesteld voor het verbeteren van de verwarmingsefficiëntie, evenals methoden voor het verbeteren van de elektromigratielevensduur van de verwarmingselementen. We bestuderen ook de thermo-optische stabiliteit van elektro-absorptiemodulatoren en ringmodulatoren bij een hoog optisch vermogen en er worden methoden voorgesteld om zelfverhitting (een ongewenst fenomeen) te minimaliseren. Ten slotte worden interferometrische componenten, zoals de Mach-Zehnder-interferometer, ook onderworpen aan verwarmingsoptimalisatie.

In het tweede deel worden de thermische aspecten onderzocht van twee verschillende laserbronnen voor optische transceivers. Allereerst wordt een thermisch model op nanoschaal ontwikkeld en gevalideerd voor de nano-ridge laser, een nieuw laser concept voor III-V op Si monolithische integratie. Met behulp van het model worden zwakke punten in de betrouwbaarheid van het design geïdentificeerd en worden ontwerpaanpassingen voorgesteld voor het verminderen van zelfverhitting. Ten tweede wordt de thermische karakterisering van hybride InP-Si lasers uitgevoerd en vergeleken met verschillende alternatieve integratiemethodes. De analyse wordt zowel uitgevoerd voor enkelkanaals- als meerkanaalslaserchips, en het optimale thermische ontwerp van een meerkanaals lichtbron wordt onderzocht.

In het derde en laatste deel zoomen we uit en combineren we meerdere fotonische componenten in geïntegreerde fotonische circuits. Omdat er geen kant-en-klare simulatiemethodes bestaan voor thermo-optische simulatie op nano- en chipschaal, worden er nieuwe simulatietools ontwikkeld. Ten eerste worden thermisch equivalente RC-netwerken gebouwd voor snelle circuitsimulatie op systeemniveau, waarbij rekening wordt gehouden met de dynamica op componentniveau. Ten tweede worden meerdere machine learning-algoritmen getraind met gegevens van eindige-elementensimulatie om extreem compacte en black-box modellen te ontwikkelen, wat resulteert in een vermindering van de rekentijd met drie grootteordes. De ontwikkelde modellen worden gebruikt om twee ontwerpen van optische transceivers te analyseren, waarbij de impact van driedimensionale elektronisch-fotonische integratie op de optische componenten wordt gekwantificeerd. In het laatste hoofdstuk worden alle resultaten gecombineerd in een thermo-optisch link model, dat wordt gebruikt om de impact van de verbeterde optische componenten op de totale energieefficiëntie te kwantificeren. Huidige state-of-the-art optische transceivers vereisen ongeveer 3 pJ/bit, terwijl een thermisch geoptimaliseerd ontwerp een waarde van minder dan 1 pJ/bit kan bereiken.