Eliminación del calor de los sistemas fotónicos
La rápida propagación de los teléfonos inteligentes y tabletas, asociados a la tecnología 4G, está generando una gran presión sobre la capacidad de la red. Además, existen otros factores que están produciendo un aumento del tráfico de datos, como los servicios de virtualización y de computación en la nube, el internet de las cosas y la posibilidad de un acceso en línea a la educación y al suministro de asistencia sanitaria personalizada. «La estrecha integración de la fotónica y la electrónica en un único chip será esencial para ampliar la escala hasta cubrir estas necesidades de tráfico, confiriendo a la fotónica de silicio el potencial de satisfacer las necesidades de una mayor eficacia energética, un menor coste y un espacio mínimo», explica Kafil M. Razeeb, científico investigador experimentado del Tyndall National Institute que ha estado liderando el proyecto TIPS, financiado con fondos europeos. Este proyecto abordó los problemas térmicos derivados del alto nivel de encapsulado e integración de los dispositivos fotónicos. Gestión térmica deficiente Desde una perspectiva térmica, la fotónica de silicio, en que los dispositivos fotónicos III-V se integran en un sustrato de silicio sobre aislante (SOI), resulta un reto. Los dispositivos fotónicos activos generan unos niveles de flujo de calor extremadamente elevados que deben eliminarse de forma eficaz para mantener un rendimiento fiable. Además, en sistemas de multiplexación de banda ancha elevada, la temperatura del láser debe permanecer a menos de 0,1 °C de la temperatura de funcionamiento para mantener las longitudes de onda de emisiones dentro de las especificaciones del diseño. Eliminar el calor de una estructura con las junturas orientadas hacia arriba resulta difícil. La situación se ve complicada por el hecho de que la capa de aislamiento de óxido en obleas de SOI separa el dispositivo de su disipador de calor. Además, las guías de ondas en forma estriada aumentan la resistencia a la difusión térmica y el control de temperatura requiere dispositivos fotónicos y electrónicos increíblemente diferentes. Los dispositivos vanguardistas actuales combinan la utilización de un gran refrigerador macrotermoeléctrico de estado sólido (macroTEC), elementos calefactores resistivos, grandes difusores térmicos y una refrigeración de aire externa. No obstante, la disposición de estos elementos de control térmico es compleja y limita tanto la eficacia energética como una mayor integración de los componentes. Esto constituye un obstáculo considerable a la hora de alcanzar unas velocidades de datos mayores en paquetes más reducidos. «La introducción a presión de una mayor funcionalidad en unos paquetes cada vez menores, a la vez que se impulsan los incrementos de eficacia y rendimiento, conduce a una densidad térmica considerablemente superior», menciona Razeeb. Los diseñadores de chips deben desplegar nuevas soluciones térmicas para disipar eficazmente todo el calor generado por los componentes fotónicos. Una arquitectura novedosa para un control térmico más eficaz Una función fundamental del enfoque de TIPS para un control eficaz de la temperatura es la sustitución de los macroTEC de gran tamaño y con gran consumo energético por microTEC integrados en torno a cada dispositivo fotónico generador de calor (láser). Los microTEC eliminan cualquier resistencia térmica parasitaria y reducen la necesidad de materiales termoeléctricos y de calefactores resistivos individuales. Además, permiten la integración de componentes optoelectrónicos con diferentes temperaturas de funcionamiento. Asimismo, se grabaron microcanales en el sustrato del dispositivo que transportan el calor del lado caliente de los microTEC y los láseres a los intercambiadores de calor. Se prestó especial atención al modo en que las turbulencias elásticas pueden mejorar la transferencia de calor de los microcanales. La utilización de novedosas microbombas impulsa el flujo de líquido a través de circuitos de flujo, mientras que las microválvulas lo regulan en los microcanales. La gestión térmica tradicionalmente se ha relegado al último paso del proceso de diseño. No obstante, el aumento exponencial en el tráfico de datos ha provocado que se convierta rápidamente en un factor crítico para la industria de las telecomunicaciones. Los investigadores de TIPS determinaron que las soluciones térmicas existentes no pueden afrontar el aumento exponencial del tráfico de datos. No obstante, sus soluciones térmicas integradas de la fuente al disipador, extremadamente modulables y eficientes, deberían permitir la fabricación de dispositivos fotónicos de nueva generación que respalden un aumento masivo del ancho de banda.
Palabras clave
TIPS, calor, dispositivo fotónico, refrigerador macrotermoeléctrico (macroTEC), microTEC, tráfico de datos, silicio sobre aislante (SOI), microcanales, fotónica de silicio, control de temperatura, microbombas
