Metoda optoelektronske integracije

OptoelectronicMetoda integracije

IntegracijafotonikaElectronics je ključni korak pri izboljšanju zmogljivosti sistemov za obdelavo informacij, ki omogoča hitrejše hitrosti prenosa podatkov, nižjo porabo energije in bolj kompaktne zasnove naprav ter odpiranje ogromnih novih priložnosti za oblikovanje sistema. 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 procesov. Ta pristop se osredotoča na ustvarjanje brezhibnega vmesnika med svetlobo in elektriko znotraj enega samega čipa.
Prednosti:
1. Zmanjšajte izgube medsebojnega povezovanja: namestitev fotonov in elektronskih komponent v neposredni bližini zmanjšuje izgube signala, povezane s povezavami zunaj čipa.
2, Izboljšana zmogljivost: Tesnejša integracija lahko povzroči hitrejše hitrosti prenosa podatkov zaradi krajših signalnih poti in zmanjšane zamude.
3, Manjša velikost: Monolitna integracija omogoča zelo kompaktne naprave, kar je še posebej koristno za vesoljsko omejene aplikacije, kot so podatkovni centri ali ročne naprave.
4, Zmanjšajte porabo energije: Odpravite potrebo po ločenih paketih in medsebojnih povezavah na dolge razdalje, kar lahko znatno zmanjša potrebe po moči.
Izziv:
1) Združljivost materiala: Iskanje materialov, ki podpirajo kakovostne elektrone in fotonske funkcije, je lahko izziv, saj pogosto zahtevajo različne lastnosti.
2, Združljivost procesa: Vključevanje raznolikih proizvodnih procesov elektronike in fotonov na isti substrat brez poslabšanja zmogljivosti katere koli komponente je zapletena naloga.
4, Kompleksna proizvodnja: visoka natančnost, potrebna za elektronske in fotononske strukture, povečuje kompleksnost in stroške proizvodnje.

Integracija več čipov
Ta pristop omogoča večjo prožnost pri izbiri materialov in procesov za vsako funkcijo. V tej integraciji elektronske in fotonske komponente izvirajo iz različnih procesov in se nato sestavljajo skupaj in postavijo na skupni paket ali podlago (slika 1). Zdaj pa navedite načine vezave med optoelektronskimi čipi. Neposredna vezava: Ta tehnika vključuje neposreden fizični stik in vezanje dveh ravninskih površin, ki jih običajno olajšajo sile molekulskih vezi, toplota in tlak. Prednost ima preprostost in potencialno zelo nizke izgube, vendar zahteva natančno poravnane in čiste površine. Vlakna/rešetka: V tej shemi je matrika vlaken ali vlaken poravnana in vezana na rob ali površino fotonskega čipa, kar omogoča, da se svetloba poveže v in zunaj čipa. Reševanje se lahko uporablja tudi za navpično sklopko, kar izboljša učinkovitost prenosa svetlobe med fotonskim čipom in zunanjim vlaknom. Skozi silikonske luknje (TSV) in mikro-bumps: skozi siliconske luknje so navpične medsebojne povezave skozi silikonsko substrat, kar omogoča, da se čipi zložijo v tri dimenzije. V kombinaciji z mikro konveksnimi točkami pomagajo doseči električne povezave med elektronskimi in fotonskimi čipi v zloženih konfiguracijah, primerne za integracijo visoke gostote. 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 komponentelahko integriramo za povečano prilagodljivost povezave. Hibridna vezava: Ta napredna tehnologija vezanja združuje neposredno vezavo in tehnologijo mikro-udarne tehnologije za doseganje električnih povezav visoko gostote med čipi in kakovostnimi optičnimi vmesniki. Posebej je obetaven za visokozmogljivo optoelektronsko sodelovanje. SPREMLJIVO POVEZAVA: Podobno kot vezanje s flip čipom se tudi za ustvarjanje električnih priključkov uporabljajo spajkalniki. Vendar pa je treba v okviru optoelektronske integracije nameniti posebno pozornost, da se izognemo škodi fotonskih komponentah, ki jih povzroča toplotni stres in vzdrževanje optične poravnave.

Slika 1 :: shema vezave na elektron/foton na čipu na čip

Prednosti teh pristopov so pomembne: Ker svet CMOS še naprej sledi izboljšanjem Moorejevega zakona, bo mogoče hitro prilagoditi vsako generacijo CMO ali BI-CMO na poceni silicijev fotonski čip, ki izkorišča prednosti najboljših procesov v fotoniki in elektroniki. Ker fotonika na splošno ne potrebuje izdelave zelo majhnih struktur (ključne velikosti približno 100 nanometrov so značilne) in so naprave velike v primerjavi s tranzistorji, bodo ekonomski premisleki ponavadi potisnili fotonske naprave, ki bodo izdelane v ločenem postopku, ločene od kakršne koli napredne elektronike, potrebne za končni izdelek.
Prednosti:
1, Prilagodljivost: Različne materiale in procese lahko samostojno uporabimo za doseganje najboljših zmogljivosti elektronskih in fotonskih komponent.
2, Zrelosti procesov: Uporaba zrelih proizvodnih procesov za vsako komponento lahko poenostavi proizvodnjo in zmanjša stroške.
3, lažja nadgradnja in vzdrževanje: ločitev komponent omogoča lažje nadomeščanje ali nadgradnjo posameznih komponent, ne da bi to vplivalo na celoten sistem.
Izziv:
1, Izguba medsebojne povezave: Povezava zunaj čipa uvaja dodatno izgubo signala in lahko zahteva zapletene postopke poravnave.
2, Povečana zapletenost in velikost: Posamezne komponente zahtevajo dodatno embalažo in medsebojno povezavo, kar ima za posledico večje velikosti in potencialno večje stroške.
3, Večja poraba energije: Daljše signalne poti in dodatna embalaža lahko povečajo zahteve glede moči v primerjavi z monolitno integracijo.
Zaključek:
Izbira med monolitnim in večkratnim integracijo je odvisna od zahtev, specifičnih za aplikacijo, vključno s cilji uspešnosti, omejitvami velikosti, stroški in zrelostjo tehnologije. Kljub zapletenosti proizvodnje je monolitna integracija ugodna za aplikacije, ki zahtevajo izjemno miniaturizacijo, nizko porabo energije in prenos podatkov z visokim hitrostjo. Namesto tega integracija z več čipi ponuja večjo prilagodljivost oblikovanja in uporablja 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 za optimizacijo učinkovitosti sistema, hkrati pa ublažijo izzive, povezane z vsakim pristopom.