Repensar o design do chip fotônico pode reduzir o uso de energia do data center

Oct 01, 2023

Circuitos integrados fotônicos, ou PICs, são dispositivos que permitem a geração, transferência e processamento de dados usando partículas de luz em vez de elétrons. Embora ainda experimentais para uso em computação alternativa, os PICs têm sido a espinha dorsal das telecomunicações, permitindo a funcionalidade das atuais linhas de fibra ótica de alta velocidade.

Graças aos métodos tradicionais de fabricação de semicondutores, o silício tornou-se a principal plataforma no desenvolvimento desses tipos de chips, permitindo que os engenheiros usem as instalações existentes de fabricação de eletrônicos para projetá-los e produzi-los em massa.

Embora os PICs sejam muito mais eficientes e ofereçam uma largura de banda significativamente maior quando comparados aos métodos de comunicação eletrônica, ainda há espaço para melhorias, pois os chips fotônicos de silício requerem muita energia para regulação da temperatura, a fim de manter altos os desempenhos de transferência de dados.

Neste artigo, discutiremos um avanço na eficiência dos circuitos integrados fotônicos que vem de um esforço combinado de pesquisa de engenheiros e cientistas da Oregon State University e da Baylor University que pretendem reduzir o consumo de energia elétrica em data centers.

A fim de transportar múltiplas frequências de luz através do mesmo meio fotônico e permitir que diferentes sinais sejam transmitidos simultaneamente usando uma única fibra óptica, os engenheiros desenvolveram um método chamado multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), no qual a capacidade do canal de dados da tecnologia pode ser aumentada sem prejudicar sua taxa de transferência extremamente rápida.

Em circuitos integrados fotônicos, as estruturas usadas para realizar o WDM são chamadas de ressonadores de microanel de silício, ou Si-MRRs, que funcionam como guias de ondas ópticas, voltando a si mesmos de maneira que uma ressonância ocorre cada vez que o comprimento do caminho óptico de um ressonador singular mede exatamente um número inteiro de comprimentos de onda.

Ao fabricar esses tipos de ressonadores de anel usando silício, o WDM pode ser realizado em uma escala extremamente pequena e como parte de sistemas de consumo de energia ultrabaixo. No entanto, um grande desafio na tecnologia Si-MRR é a sensibilidade do comprimento de onda ressonante devido a flutuações de temperatura e variações do processo de fabricação.

Até agora, esses dispositivos lidavam com o controle preciso do comprimento de onda por injeção de portadora livre usando diodos PIN e aquecedores térmicos que requerem uma quantidade significativa de energia elétrica.

Agora, os pesquisadores do estado de Oregon e Baylor apresentaram um novo método para reduzir esse requisito de energia de controle de temperatura por um fator impressionante de mais de um milhão.

Em março, uma equipe liderada pelo professor da Universidade de Baylor, Alan Wang, publicou suas descobertas em experimentos com Si-MRRs controlados por portas para o desenvolvimento de circuitos integrados fotônicos altamente eficientes.

Enfrentando os desafios de temperatura da tecnologia, a equipe do professor Wang desenvolveu um tipo especializado de filtro WDM on-chip de ajuste independente que usa uma matriz de quatro Si-MMRs com óxido de índio e estanho (ITiO), óxido de háfnio (IV) (HfO2) e silício capacitores de semicondutores de óxido de metal (MOS) fabricados.

O composto MOS usado nesta pesquisa é conhecido como óxido condutivo transparente (TCO) de alta mobilidade que, em contraste com as junções PN, exibe eficiências eletro-ópticas muito maiores. Isso é o que efetivamente produz as características de economia de energia deste avanço, pois usando materiais TCO, uma grande faixa de ajuste de comprimento de onda pode ser alcançada por meio de baixa tensão de porta e consumo de energia insignificante.

De acordo com o professor John Conley, da Oregon State's College of Engineering, graças ao seu conhecimento em deposição de camadas atômicas e dispositivos eletrônicos, e à experiência do professor Wang em fotônica, sua equipe foi capaz de produzir um protótipo funcional PIC cuja temperatura é controlada por voltagem de porta que ment praticamente nenhum uso de corrente elétrica.