Chłodzenie układów fotonicznych
Błyskawiczne upowszechnianie się smartfonów i tabletów w połączeniu z technologią 4G stanowi ogromne obciążenie dla przepustowości sieci. Inne czynniki napędzające wzrost ruchu danych obejmują usługi oferowane przez podmioty w chmurze oraz wirtualizację, Internet rzeczy oraz dostęp do edukacji i usług zindywidualizowanej opieki zdrowotnej świadczonych przez Internet. „Bardzo bliska integracja fotoniki i elektroniki w ramach pojedynczych układów scalonych będzie stanowiła klucz do skalowania rozwiązań, które pozwoli na zaspokojenie wymagań dotyczących ruchu, co z kolei zapewni fotonice krzemowej potencjał do zaspokojenia potrzeb w zakresie wyższej efektywności energetycznej, niższych kosztów i miniaturyzacji”, zauważył Kafil M. Razeeb, starszy pracownik naukowy Tyndall National Institute oraz kierownik finansowanego przez UE projektu TIPS dotyczącego zagadnień termicznych wynikających z wysokiego poziomu upakowania i integracji urządzeń fotonicznych. Słabe odprowadzanie ciepła Z perspektywy charakterystyki termicznej, urządzenia wykorzystujące fotonikę krzemową, w których półprzewodniki z grupy III-V są integrowane na podłożach typu krzem na izolatorze (SOI) stanowią bardzo duże wyzwanie. Aktywne urządzenia fotoniczne wytwarzają ogromne ilości ciepła, które musi być skutecznie odprowadzane w celu zapewnienia stabilnego działania. Dodatkowo w systemach multipleksujących o wysokiej przepustowości, temperatura lasera musi być utrzymywana w granicach 0,1 °C od temperatury pracy w celu zagwarantowania, że emisyjna długość fali będzie zgodna z założeniami specyfikacji. Odprowadzanie ciepła z architektury „junction-side-up”, charakteryzującej się złączem w górnej części półprzewodnika, jest niezwykle trudnym zadaniem. Sytuacji nie poprawia fakt, że izolująca warstwa tlenków wykorzystywana w półprzewodnikach SOI oddziela urządzenie od wykorzystywanego radiatora. Co więcej, przypominające grzbiety falowody zwiększają opory odprowadzania ciepła, a ponadto wymogi dotyczące odprowadzania ciepła z urządzeń fotonicznych i elektronicznych także znacząco się od siebie różnią. Współczesne nowoczesne urządzenia łączą stosowanie półprzewodnikowych chłodnic makro-termoelektrycznych (macroTEC), rezystancyjnych elementów grzejnych, dużych powierzchni rozprowadzających ciepło oraz zewnętrznego chłodzenia powietrznego. Jednak rozmieszczenie tych elementów odprowadzających ciepło jest złożone, ogranicza efektywność energetyczną i dalszą integrację podzespołów. Stanowi to istotną przeszkodę w osiągnięciu większej szybkości przesyłania danych w mniejszych urządzeniach. „Uzyskiwanie coraz większej funkcjonalności z coraz mniejszych układów przy jednoczesnym zwiększaniu zysków w zakresie wydajności oraz efektywności prowadzi do znaczącego zwiększenia ilości wydzielanego ciepła”, zauważył Razeeb. Na konstruktorach układów ciąży odpowiedzialność za wdrażanie nowych rozwiązań pozwalających na skuteczne odprowadzanie całego ciepła wytwarzanego przez układy fotoniczne. Nowatorska architektura wspomoże lepsze odprowadzanie ciepła Kluczowym elementem podejścia projektu TIPS do efektywnego odprowadzania ciepła jest zastąpienie dużych urządzeń macroTEC zużywających ogromne ilości energii urządzeniami typu microTEC zintegrowanymi z każdym urządzeniem fotonicznym generującym ciepło (laserem). Zastosowanie urządzeń tego typu pozwala na zlikwidowanie pasożytniczego oporu cieplnego oraz ograniczenie zapotrzebowania na materiały termoelektryczne oraz rezystancyjne elementy grzejne dla poszczególnych układów. Wprowadzenie takich urządzeń pozwala także na integrację komponentów optoelektronicznych charakteryzujących się różnymi temperaturami pracy. W podłożu urządzenia zostały również wytrawione mikrokanały, którymi przenoszone jest ciepło z ciepłej strony urządzeń chłodzących i laserów do wymienników ciepła. W szczególności naukowcy skupili się na tym, jak elastyczne turbulencje mogą przełożyć się na poprawę transferu ciepła przy pomocy mikrokanałów. W tym celu zostały wykorzystane nowatorskie mikropompy, które zapewniały przepływ płynu przez pętle, podczas gdy mikrozawory kierowały przepływającą ciecz do mikrokanałów. Dotychczas kwestie związane z odprowadzaniem ciepła stanowiły zwykle ostatni krok w procesie projektowania układów, jednak gwałtowny wzrost ruchu danych sprawił, że kwestia ta stała się czynnikiem krytycznym dla branży telekomunikacyjnej. Naukowcy pracujący w ramach projektu TIPS stwierdzili, że istniejące rozwiązania nie będą w stanie sprostać dalszemu wzrostowi ruchu danych. Opracowane przez nich wysoce skalowalne i wydajne zintegrowane rozwiązania obejmujące całą drogę od źródła, do elementu odprowadzającego ciepło powinny umożliwić wytwarzanie urządzeń fotonicznych następnej generacji, które będą w stanie zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na przepustowość.
Słowa kluczowe
TIPS, ciepło, urządzenie fotoniczne, chłodnice makro-termoelektryczne (macroTEC), microTEC, ruch danych, krzem na izolatorze (SOI), mikrokanały, fotonika krzemowa, kontrola temperatury, mikropompy
