Optoelektronskinačin integracije
Integracijafotonikain elektronika je ključni korak pri izboljšanju zmogljivosti sistemov za obdelavo informacij, ki omogoča hitrejše hitrosti prenosa podatkov, manjšo porabo energije in bolj kompaktne zasnove naprav ter odpira ogromne nove priložnosti za načrtovanje sistemov. Metode integracije so na splošno razdeljene v dve kategoriji: monolitna integracija in integracija z več čipi.
Monolitna integracija
Monolitna integracija vključuje proizvodnjo 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. Zmanjšajte izgube medsebojnih povezav: Postavitev fotonov in elektronskih komponent v neposredni bližini zmanjša izgube signala, povezane s povezavami zunaj čipa.
2, Izboljšana zmogljivost: tesnejša integracija lahko povzroči hitrejše prenose podatkov zaradi krajših signalnih poti in zmanjšane zakasnitve.
3, Manjša velikost: Monolitna integracija omogoča zelo kompaktne naprave, kar je še posebej koristno za prostorsko omejene aplikacije, kot so podatkovni centri ali ročne naprave.
4, zmanjšajte porabo energije: odpravite potrebo po ločenih paketih in povezavah na dolge razdalje, kar lahko znatno zmanjša potrebe po energiji.
Izziv:
1) Združljivost materialov: Iskanje materialov, ki podpirajo visokokakovostne elektrone in fotonske funkcije, je lahko izziv, ker 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, ki je potrebna za elektronske in fotononske strukture, poveča kompleksnost in stroške proizvodnje.
Integracija z več čipi
Ta pristop omogoča večjo prilagodljivost pri izbiri materialov in postopkov za vsako funkcijo. Pri tej integraciji elektronske in fotonske komponente izhajajo iz različnih procesov in se nato sestavijo skupaj ter postavijo na skupno embalažo ali substrat (slika 1). Zdaj pa naštejmo načine povezovanja med optoelektronskimi čipi. Neposredna vez: Ta tehnika vključuje neposreden fizični stik in vez dveh ravnih površin, ki jo običajno olajšajo molekularne vezne sile, toplota in pritisk. Njegova prednost je enostavnost in potencialno zelo nizka izguba povezav, vendar zahteva natančno poravnane in čiste površine. Sklop vlakna/mreže: V tej shemi je vlakno ali niz vlaken poravnan in vezan na rob ali površino fotoničnega čipa, kar omogoča spajanje svetlobe v čip in iz njega. Rešetka se lahko uporablja tudi za navpično spajanje, kar izboljša učinkovitost prenosa svetlobe med fotonskim čipom in zunanjim vlaknom. Skoznje silikonske luknje (TSV) in mikro-izbokline: Skoznje silikonske luknje so navpične 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. Optični vmesni sloj: optični vmesni sloj je ločen substrat, ki vsebuje optične valovode, ki služijo kot posrednik za usmerjanje optičnih signalov med čipi. Omogoča natančno poravnavo in dodatno pasivnooptične komponentese lahko integrira za večjo prilagodljivost povezave. Hibridno spajanje: Ta napredna tehnologija spajanja združuje neposredno spajanje in tehnologijo mikro izboklin za doseganje električnih povezav visoke gostote med čipi in visokokakovostnimi optičnimi vmesniki. Še posebej je obetaven za visoko zmogljivo optoelektronsko kointegracijo. Spajkalna izboklina: Podobno kot pri spajanju z obrnjenimi čipi se spajkalne izbokline uporabljajo za ustvarjanje električnih povezav. Vendar pa je treba v kontekstu optoelektronske integracije posebno pozornost nameniti izogibanju poškodbam fotonskih komponent, ki jih povzroči toplotna obremenitev, in ohranjanju optične poravnave.
Slika 1: Shema vezave elektron/foton čip na čip
Prednosti teh pristopov so pomembne: Ker svet CMOS še naprej sledi izboljšavam Moorovega zakona, bo mogoče hitro prilagoditi vsako generacijo CMOS ali Bi-CMOS na poceni silicijev fotonski čip, s čimer bomo izkoristili prednosti najboljših procesov v fotonika in elektronika. Ker fotonika na splošno ne zahteva izdelave zelo majhnih struktur (tipične so velikosti ključev približno 100 nanometrov) in so naprave velike v primerjavi s tranzistorji, bodo ekonomski razlogi težili k temu, da se fotonske naprave proizvajajo v ločenem procesu, ločenem od naprednih elektronika, potrebna za končni izdelek.
Prednosti:
1, prilagodljivost: različne materiale in postopke je mogoče uporabiti neodvisno, da se doseže najboljša učinkovitost 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: Ločevanje komponent omogoča lažjo zamenjavo ali nadgradnjo posameznih komponent brez vpliva na celoten sistem.
Izziv:
1, izguba medsebojne povezave: Povezava zunaj čipa povzroči dodatno izgubo signala in lahko zahteva zapletene postopke poravnave.
2, večja 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 po energiji v primerjavi z monolitno integracijo.
Zaključek:
Izbira med monolitno integracijo in integracijo z več čipi je odvisna od zahtev, specifičnih za aplikacijo, vključno s cilji zmogljivosti, omejitvami velikosti, stroški in zrelostjo tehnologije. Kljub zapletenosti izdelave je monolitna integracija ugodna za aplikacije, ki zahtevajo izjemno miniaturizacijo, nizko porabo energije in hiter prenos podatkov. Namesto tega integracija z več čipi ponuja večjo fleksibilnost načrtovanja in izkorišča obstoječe proizvodne zmogljivosti, zaradi česar je primerna za aplikacije, kjer ti dejavniki odtehtajo prednosti tesnejše integracije. Z napredovanjem 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