Soulager les systèmes photoniques
L’adoption rapide des smartphones et des tablettes, associée à la technologie 4G, exerce une pression considérable sur la capacité du réseau. Parmi les autres facteurs qui alimentent la croissance du trafic de données figurent les services de cloud computing et de virtualisation, l’Internet des objets, l’accès en ligne aux ressources d’enseignement et la fourniture de soins de santé personnalisés. «L’intégration étroite de la photonique et de l’électronique au sein d’une puce unique sera essentielle pour répondre à ces exigences en matière de trafic, et ainsi donner à la photonique sur silicium la capacité de répondre aux besoins croissants en efficacité énergétique, en rentabilité et en minimisation de l’espace occupé», déclare Kafil M. Razeeb, chercheur principal au Tyndall National Institute, qui a dirigé le projet TIPS, financé par l’UE. Ce projet a abordé les problèmes thermiques liés au niveau élevé d’emballage et d’intégration des dispositifs photoniques. Une mauvaise gestion de la chaleur Du point de vue thermique, la photonique sur silicium – dans laquelle des dispositifs photoniques III-V sont intégrés sur un substrat SOI (silicium–sur–isolant) – constitue un défi. Les dispositifs photoniques actifs génèrent des flux de chaleur extrêmement élevés qui doivent être efficacement éliminés pour maintenir des performances fiables. De plus, dans les systèmes de multiplexage à large bande passante, la température du laser doit être maintenue à 0,1 °C de la température de fonctionnement pour que les longueurs d’onde d’émission restent conformes aux spécifications de conception. Évacuer de la chaleur à partir d’une architecture à jonction latérale est une opération complexe. La séparation du dispositif et de son radiateur par la couche d’isolement en oxyde sur les tranches SOI rend la situation encore plus complexe. En outre, les guides d’ondes en forme de crête augmentent la résistance à la dispersion thermique et les exigences de contrôle de température des dispositifs photoniques et électroniques sont incroyablement différentes. Les dispositifs de pointe actuels combinent l’utilisation d’un grand refroidisseur macro-thermoélectrique à semi-conducteurs (macroTEC), des résistances chauffantes, de grands dissipateurs thermiques et un refroidissement par ventilation forcée. Pourtant, la disposition de ces éléments de régulation thermique est complexe et limite l’efficacité énergétique ainsi que l’intégration ultérieure des composants. Cela constitue un obstacle important pour obtenir des débits de données supérieurs dans des paquets plus petits. «Intégrer davantage de fonctionnalités avec des encombrements de boîtiers toujours plus petits, tout en renforçant simultanément l’efficacité et les gains de performances induit une augmentation considérable de la densité thermique», remarque Razeeb. Les concepteurs de puces sont appelés à déployer de nouvelles solutions thermiques pour dissiper efficacement la chaleur générée par les composants photoniques. Une nouvelle architecture pour contrôler plus efficacement la chaleur Le remplacement des macro-cellules volumineuses et énergivores par des micro-cellules intégrées autour de chaque dispositif photonique (laser) générant de la chaleur constitue une caractéristique essentielle de l’approche adoptée par TIPS pour un contrôle efficace de la température. Les MicroTEC éliminent toute résistance thermique parasite et réduisent le besoin en matériaux thermoélectriques et en résistances chauffantes individuelles. Elles permettent également d’intégrer des composants optoélectroniques dont les températures de fonctionnement diffèrent. Des microcanaux ont également été gravés dans le substrat du dispositif, transportant la chaleur du côté chaud des microTEC et des lasers vers les échangeurs de chaleur. Une attention particulière a été accordée à la façon dont la turbulence élastique peut améliorer le transfert de chaleur des microcanaux. L’utilisation de nouvelles micro-pompes a dirigé le flux de fluide autour des boucles d’écoulement et les micro-vannes l’ont régulé dans les microcanaux. La gestion thermique est traditionnellement reléguée au dernier stade du processus de conception. Toutefois, la croissance exponentielle du trafic de données en a rapidement fait un facteur critique pour l’industrie des télécommunications. Les chercheurs de TIPS ont déterminé que les solutions thermiques existantes ne permettaient pas de répondre à la croissance exponentielle du trafic de données. Leurs solutions thermiques intégrées, hautement évolutives et efficaces, devraient toutefois permettre de produire des dispositifs photoniques de nouvelle génération prenant en charge cette croissance énorme en termes de bande passante.
Mots‑clés
TIPS, chaleur, dispositif photonique, refroidisseur macro-thermoélectrique (macroTEC), microTEC, trafic de données, silicium–sur-isolant (SOI), microcanaux, photonique au silicium, contrôle de température, micro-pompes