Sottrarre il calore dai sistemi fotonici
La rapida diffusione di smartphone e tablet insieme alla tecnologia 4G sta mettendo a dura prova la capacità della rete. Altri fattori che alimentano la crescita del traffico dati includono servizi di cloud computing e virtualizzazione, l’internet delle cose e il potenziale accesso online all’istruzione e alla fornitura di assistenza sanitaria personalizzata. «La stretta integrazione di fotonica ed elettronica in un singolo chip sarà fondamentale per adeguarsi a queste esigenze di traffico, dando alla fotonica del silicio il potenziale per soddisfare le esigenze di maggiore efficienza energetica, costi inferiori e spazio minimo», osserva Kafil M. Razeeb, ricercatore senior presso il Tyndall National Institute che ha guidato il progetto TIPS finanziato dall’UE. Questo progetto ha affrontato i problemi termici derivanti dall’elevato livello di confezionamento e integrazione dei dispositivi fotonici. Scarsa gestione del calore Dal punto di vista termico, la fotonica del silicio, in cui i dispositivi fotonici III-V sono integrati su un substrato di silicio su isolante (SOI), è impegnativa. I dispositivi fotonici attivi generano livelli di flusso di calore estremamente elevati che devono essere rimossi in modo efficiente per mantenere prestazioni affidabili. Inoltre, nei sistemi di multiplazione a larghezza di banda elevata, la temperatura del laser deve essere mantenuta entro 0,1 °C dalla temperatura di funzionamento per mantenere le lunghezze d’onda di emissione all’interno delle specifiche di progetto. Rimuovere il calore da un’architettura a sbarramento laterale è difficile. La situazione è aggravata dal fatto che lo strato di isolamento dell’ossido su wafer SOI separa il dispositivo dal suo dissipatore di calore. Inoltre, le guide d’onda a cresta aumentano la resistenza alla diffusione termica e le esigenze di controllo della temperatura dei dispositivi fotonici ed elettronici sono incredibilmente diverse. I dispositivi d’avanguardia di oggi combinano l’uso di un grande raffreddatore macro-termoelettrico a stato solido (macroTEC), elementi di riscaldamento resistivi, grandi diffusori termici e raffreddamento ad aria esterno. Tuttavia, la disposizione di questi elementi di controllo termico è complessa, limita l’efficienza energetica e l’integrazione di ulteriori componenti. Ciò rappresenta un ostacolo significativo al raggiungimento di maggiori velocità di trasmissione dati in pacchetti più piccoli. «Comprimere maggiori funzionalità in imballi sempre più piccoli, spingendo contemporaneamente l’efficienza e le prestazioni, porta a una densità termica sostanzialmente maggiore», osserva Razeeb. I progettisti di chip sono chiamati a dispiegare nuove soluzioni termiche per dissipare efficacemente tutto il calore generato dai componenti fotonici. Architettura innovativa per un controllo del calore più efficace Una caratteristica fondamentale dell’approccio TIPS per un efficace controllo della temperatura è la sostituzione di macroTEC di grandi dimensioni a elevato consumo energetico con microTEC integrati attorno a ciascun dispositivo fotonico generatore di calore (laser). I microTEC rimuovono qualsiasi resistenza termica parassitaria e riducono la necessità di materiali termoelettrici e riscaldatori individuali resistivi oltre a permettere l’integrazione di componenti optoelettronici con diverse temperature di esercizio. Nel substrato del dispositivo sono stati fissati anche microcanali che portano il calore dal lato caldo dei microTEC e dei laser agli scambiatori di calore. Particolare attenzione è stata posta su come la turbolenza elastica possa migliorare il trasferimento di calore dei microcanali. L’uso di nuove micropompe ha guidato il flusso del fluido attorno ai flussi di energia paralleli, mentre le micro-valvole lo hanno regolato nei microcanali. La gestione termica è stata tradizionalmente relegata all’ultima fase del processo di progettazione. Tuttavia, la crescita esponenziale del traffico dati l’ha resa rapidamente un fattore determinante per il settore delle telecomunicazioni. I ricercatori di TIPS hanno rivelato che le soluzioni termiche esistenti non possono eguagliare la crescita esponenziale del traffico dati. Tuttavia, le loro soluzioni termiche integrate da sorgente ad assorbimento altamente scalabili ed efficienti dovrebbero consentire la produzione di dispositivi fotonici di prossima generazione che supportano la massiccia crescita della larghezza di banda.
Parole chiave
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