Optoelektronskimetoda integracije
Integracijafotonikain elektronika je ključni korak pri izboljšanju zmogljivosti sistemov za obdelavo informacij, saj omogoča hitrejše prenose podatkov, manjšo porabo energije in kompaktnejše zasnove naprav ter odpira ogromne nove možnosti za načrtovanje sistemov. Metode integracije so običajno razdeljene v dve kategoriji: monolitna integracija in veččipna integracija.
Monolitna integracija
Monolitna integracija vključuje izdelavo fotonskih in elektronskih komponent na istem substratu, običajno z uporabo združljivih materialov in postopkov. Ta pristop se osredotoča na ustvarjanje brezhibnega vmesnika med svetlobo in elektriko znotraj enega samega čipa.
Prednosti:
1. Zmanjšanje izgub v medsebojnih povezavah: Postavitev fotonov in elektronskih komponent v neposredni bližini zmanjša izgube signala, povezane s povezavami zunaj čipa.
2, Izboljšana zmogljivost: Tesnejša integracija lahko zaradi krajših signalnih poti in manjše zakasnitve privede do hitrejših hitrosti prenosa podatkov.
3, Manjša velikost: Monolitna integracija omogoča zelo kompaktne naprave, kar je še posebej koristno za aplikacije z omejenim prostorom, kot so podatkovni centri ali ročne naprave.
4, zmanjšajte porabo energije: odpravite potrebo po ločenih paketih in medkrajevnih povezavah, kar lahko znatno zmanjša potrebe po energiji.
Izziv:
1) Združljivost materialov: Iskanje materialov, ki podpirajo tako visokokakovostne elektrone kot fotonske funkcije, je lahko izziv, saj pogosto zahtevajo različne lastnosti.
2, združljivost procesov: Integracija različnih proizvodnih procesov elektronike in fotonov na istem substratu brez poslabšanja delovanja katere koli komponente je zapletena naloga.
4, Kompleksna proizvodnja: Visoka natančnost, potrebna za elektronske in fotonske strukture, povečuje kompleksnost in stroške proizvodnje.
Integracija več čipov
Ta pristop omogoča večjo fleksibilnost pri izbiri materialov in postopkov za vsako funkcijo. Pri tej integraciji elektronske in fotonske komponente prihajajo iz različnih postopkov in so nato sestavljene skupaj ter nameščene na skupnem ohišju ali substratu (slika 1). Zdaj pa naštejmo načine vezave med optoelektronskimi čipi. Neposredna vezava: Ta tehnika vključuje neposreden fizični stik in vezavo dveh ravnih površin, kar običajno omogočajo molekularne vezne sile, toplota in tlak. Ima prednost preprostosti in potencialno zelo nizkih izgub v povezavah, vendar zahteva natančno poravnane in čiste površine. Spajanje vlaken/mrežic: Pri tej shemi je vlakno ali matrika vlaken poravnana in vezana na rob ali površino fotonskega čipa, kar omogoča, da se svetloba stika v in iz čipa. Rešetka se lahko uporablja tudi za vertikalno spajanje, kar izboljša učinkovitost prenosa svetlobe med fotonskim čipom in zunanjim vlaknom. Skozi silicijeve luknje (TSV) in mikro izbokline: Skozi silicijeve luknje so vertikalne medsebojne povezave skozi silicijev substrat, ki omogočajo zlaganje čipov v treh dimenzijah. V kombinaciji z mikrokonveksnimi točkami pomagajo doseči električne povezave med elektronskimi in fotonskimi čipi v zloženih konfiguracijah, primernih za integracijo z visoko gostoto. Optična vmesna plast: Optična vmesna plast je ločen substrat, ki vsebuje optične valovode, ki služijo kot posrednik za usmerjanje optičnih signalov med čipi. Omogoča natančno poravnavo in dodatno pasivno...optične komponenteje mogoče integrirati za večjo fleksibilnost povezav. Hibridno vezanje: Ta napredna tehnologija vezanja združuje neposredno vezanje in tehnologijo mikro-izboklin za doseganje visoko gostote električnih povezav med čipi in visokokakovostnih optičnih vmesnikov. Še posebej je obetavna za visokozmogljivo optoelektronsko kointegracijo. Spajkalne izbokline: Podobno kot pri vezavi z obračanjem čipov se spajkalne izbokline uporabljajo za ustvarjanje električnih povezav. Vendar pa je treba v kontekstu optoelektronske integracije posebno pozornost nameniti preprečevanju poškodb fotonskih komponent zaradi toplotnih obremenitev in ohranjanju optične poravnave.
Slika 1: : Shema vezave elektronov/fotonov med čipi
Prednosti teh pristopov so znatne: ko svet CMOS še naprej sledi izboljšavam Moorovega zakona, bo mogoče vsako generacijo CMOS ali Bi-CMOS hitro prilagoditi poceni silicijevemu fotonskemu čipu, s čimer bo mogoče izkoristiti prednosti najboljših procesov v fotoniki in elektroniki. Ker fotonika na splošno ne zahteva izdelave zelo majhnih struktur (tipične velikosti ključev so približno 100 nanometrov) in so naprave velike v primerjavi s tranzistorji, bodo ekonomski vidiki nagibali k temu, da se fotonske naprave izdelujejo v ločenem procesu, ločenem od kakršne koli napredne elektronike, potrebne za končni izdelek.
Prednosti:
1, prilagodljivost: Različni materiali in postopki se lahko uporabljajo neodvisno za doseganje najboljše zmogljivosti elektronskih in fotonskih komponent.
2, zrelost procesa: uporaba zrelih proizvodnih procesov za vsako komponento lahko poenostavi proizvodnjo in zmanjša stroške.
3, Lažja nadgradnja in vzdrževanje: Ločitev komponent omogoča lažjo zamenjavo ali nadgradnjo posameznih komponent, ne da bi to vplivalo na celoten sistem.
Izziv:
1, izguba medsebojne povezave: Povezava zunaj čipa povzroča dodatno izgubo signala in lahko zahteva zapletene postopke poravnave.
2, povečana kompleksnost in velikost: Posamezne komponente zahtevajo dodatno embalažo in medsebojne povezave, kar ima za posledico večje velikosti in potencialno višje stroške.
3, večja poraba energije: Daljše signalne poti in dodatna embalaža lahko povečajo zahteve glede energije v primerjavi z monolitno integracijo.
Zaključek:
Izbira med monolitno in veččipno integracijo je odvisna od zahtev, specifičnih za aplikacijo, vključno s cilji glede zmogljivosti, omejitvami velikosti, stroškovnimi vidiki in zrelostjo tehnologije. Kljub kompleksnosti proizvodnje je monolitna integracija prednostna za aplikacije, ki zahtevajo izjemno miniaturizacijo, nizko porabo energije in hiter prenos podatkov. Namesto tega veččipna integracija ponuja večjo prilagodljivost zasnove in izkorišča obstoječe proizvodne zmogljivosti, zaradi česar je primerna za aplikacije, kjer ti dejavniki odtehtajo prednosti tesnejše integracije. Z napredkom raziskav se raziskujejo tudi hibridni pristopi, ki združujejo elemente obeh strategij, da bi optimizirali delovanje sistema in hkrati ublažili izzive, povezane z vsakim pristopom.
Čas objave: 8. julij 2024