Wärme aus Photoniksystemen ableiten
Die schnelle Verbreitung von Smartphones und Tablets mit 4G-Technologie stellen eine enorme Belastung der Netzwerkkapazität dar. Zu den weiteren Faktoren, die den Anstieg des Datenverkehrs beeinflussen, zählen Cloud-Computing- und Virtualisierungsdienste, das Internet der Dinge sowie der zukünftige Online-Zugang zu Bildung und die Bereitstellung personalisierter Gesundheitsdienstleistungen. „Die eng verknüpfte Integration von Photonik und Elektronik in einem einzelnen Chip wird von größter Bedeutung für die Anpassung an diese Anforderungen des Datenverkehrs sein und gibt Siliziumphotonik das Potential, die Forderungen nach höherer Energieeffizienz, geringeren Kosten und minimalem Platzbedarf zu erfüllen“, bemerkt Kafil M. Razeeb, wissenschaftlicher Forschungsleiter am Tyndall National Institute, der das EU-finanzierte Projekt TIPS leitet. Dieses Projekt befasste sich mit den thermischen Problemen, die aufgrund der hohen Packungs- und Integrationsdichte von Photonikgeräten entstehen. Schlechte Wärmekontrolle Aus thermischer Sicht stellt Siliziumphotonik – bei der III-V Photonikgeräte auf einem Silizium-auf-Isolator-Substrat integriert werden – eine große Herausforderung dar. Aktive Photonikgeräte generieren Wärmeflüsse mit extrem hohen Temperaturen, die effizient abgeleitet werden müssen, um eine verlässliche Leistung gewährleisten zu können. Zusätzlich muss bei Multiplexing-Systemen mit hoher Bandbreite die Lasertemperatur innerhalb von 0,1 °C der Betriebstemperatur gehalten werden, um die Emissionswellenlängen innerhalb der Designspezifikationen zu halten. Es ist schwierig, Wärme von einer Architektur abzuleiten, bei der die Verbindungsseite oben liegt. Zusätzlich wird die Situation durch die Tatsache erschwert, dass die Oxid-Isolationsschicht auf Silizium-auf-Isolator-Wafern das Gerät von der Wärmeableitung separiert. Außerdem erhöhen kammähnliche Wellenleiter den thermischen Verbreitungswiderstand und die Temperatursteuerungsanforderungen an Photonik- und Elektronikgeräte sind unglaublich verschieden. Die heutigen Geräte auf dem neuesten Stand der Technik kombinieren die Nutzung eines makro-thermoelektrischen Kühlers mit Widerstandsheizelementen, großen Wärmeableitern und Außenluftkühlung. Noch ist die Anordnung dieser thermischen Steuerelemente komplex, begrenzt die Energieeffizienz sowie die Integration weiterer Komponenten. Dies stellt ein erhebliches Hindernis für das Erreichen größerer Datenraten in kleineren Paketen dar. „Immer mehr Funktionalität in Paketen mit immer weniger Platzbedarf bei gleichzeitigen Effizienz- und Leistungsgewinnen führt zu einer substanziell erhöhten thermischen Dichte“, bemerkt Razeeb. Chipentwickler sind angehalten, neue thermische Lösungen einzusetzen, um die ganze, von den Photonikkomponenten erzeugte Wärme abzuleiten. Neuartige Architektur für effektivere Wärmesteuerung Eine Kernfunktion des TIPS-Ansatzes für effektive Temperatursteuerung ist der Austausch der großen und energiehungrigen makro-thermoelektrische Kühler durch mikro-thermoelektrische Kühler, die rund um jedes wärmeerzeugende Photonikgerät (Laser) integriert werden. Mikro-thermoelektrische Kühler beseitigen jegliche störenden Wärmewiderstände und verringern den Bedarf an thermoelektrischen Materialien und einzelnen Widerstandsheizungen. Außerdem ermöglichen sie die Integration optoelektronischer Komponenten mit unterschiedlichen Betriebstemperaturen. In das Gerätesubstrat wurden zusätzlich Mikrokanäle geätzt, über die Wärme von der heißen Seite der mikro-thermoelektrische Kühler und der Laser an die Wärmetauscher abgeleitet wird. Besonderer Fokus wurde darauf gerichtet, wie elastische Turbulenz die Wärmeübertragung der Mikrokanäle verbessern kann. Durch die Verwendung neuartiger Mikropumpen wurde der Flüssigkeitsstrom um Strömungsschleifen herum geführt, Mikroventile lenkten ihn in die Mikrokanäle. Wärmekontrolle wurde traditionell auf den letzten Schritt im Entwurfsprozess verschoben. Das exponentielle Wachstum des Datenverkehrs hat sie allerdings zu einem kritischen Faktor für die Telekommunikationsbranche gemacht. TIPS-Forscher erkannten, dass vorhandene thermische Lösungen mit dem exponentiellen Wachstum des Datenverkehrs nicht Schritt halten können. Ihre gut skalierbaren und effizienten integrierten thermischen Lösungen von der Quelle bis zum Kühlkörper sollten jedoch die Produktion von Photonikgeräten der nächsten Generation ermöglichen, die massives Wachstum der Bandbreite unterstützen.
Schlüsselbegriffe
TIPS, Wärme, Photonikgerät, makro-thermoelektrischer Kühler, mikro-thermoelektrischer Kühler, Datenverkehr, Silizium-auf-Isolator, Mikrokanäle, Siliziumphotonik, Temperatursteuerung, Mikropumpen
