OptoelectronicMetoda integrace
IntegracefotonikaA Electronics je klíčovým krokem ke zlepšení schopností systémů zpracování informací, což umožňuje rychlejší rychlosti přenosu dat, nižší spotřebu energie a kompaktnější návrhy zařízení a otevírání obrovských nových příležitostí pro návrh systému. Integrační metody jsou obecně rozděleny do dvou kategorií: monolitická integrace a integrace více čipů.
Monolitická integrace
Monolitická integrace zahrnuje výrobu fotonických a elektronických komponent na stejném substrátu, obvykle pomocí kompatibilních materiálů a procesů. Tento přístup se zaměřuje na vytvoření plynulého rozhraní mezi světlem a elektřinou v rámci jednoho čipu.
Výhody:
1. Snižte ztráty propojení: Umístění fotonů a elektronických komponent v těsné blízkosti minimalizuje ztráty signálu spojené s připojením mimo čip.
2, Vylepšený výkon: Přísnější integrace může vést k rychlejšímu přenosu dat v důsledku kratších cest signálu a snížené latence.
3, menší velikost: Monolitická integrace umožňuje vysoce kompaktní zařízení, která je zvláště prospěšná pro aplikace omezené prostorem, jako jsou datová centra nebo kapesní zařízení.
4, Snížení spotřeby energie: Eliminujte potřebu samostatných balíčků a propojení na dlouhé vzdálenosti, které mohou výrazně snížit požadavky na energii.
Výzva:
1) Kompatibilita materiálu: Nalezení materiálů, které podporují vysoce kvalitní elektrony i fotonické funkce, může být náročné, protože často vyžadují různé vlastnosti.
2, Kompatibilita procesu: Integrace rozmanitých výrobních procesů elektroniky a fotonů na stejném substrátu, aniž by došlo k degradování výkonu jedné složky, je komplexní úkol.
4, Komplexní výroba: Vysoká přesnost potřebná pro elektronické a fotononické struktury zvyšuje složitost a náklady na výrobu.
Integrace více čipů
Tento přístup umožňuje větší flexibilitu při výběru materiálů a procesů pro každou funkci. V této integraci pocházejí elektronické a fotonické komponenty z různých procesů a poté jsou sestaveny dohromady a umístěny na společný balíček nebo substrát (obrázek 1). Nyní pojďme uveďte režimy spojení mezi optoelektronickými čipy. Přímé spojení: Tato technika zahrnuje přímý fyzický kontakt a vazba dvou rovinných povrchů, obvykle usnadněných molekulárními vazbami, teplem a tlakem. Má výhodu jednoduchosti a potenciálně velmi nízkých ztrátových spojení, ale vyžaduje přesně zarovnané a čisté povrchy. Vlákna/mřížka: V tomto schématu je pole vlákna nebo vlákna zarovnáno a spojeno s okrajem nebo povrchem fotonického čipu, což umožňuje spojené světlo dovnitř a ven z čipu. Mřížka může být také použita pro vertikální vazbu, což zlepšuje účinnost přenosu světla mezi fotonickým čipem a vnějším vláknem. Prostřednictvím křemíkového substrátu jsou skrz křemíkový substrát skrz křemíkový substrát, což umožňuje naskládat čipy do tří rozměrů. V kombinaci s mikro-konvexními body pomáhají dosáhnout elektrických spojení mezi elektronickými a fotonickými čipy v naskládaných konfiguracích, vhodné pro integraci s vysokou hustotou. Optická zprostředkovatelská vrstva: Optický prostřední vrstva je samostatný substrát obsahující optické vlnovod, který slouží jako prostředník pro směrování optických signálů mezi čipy. Umožňuje přesné zarovnání a další pasivníOptické komponentylze integrovat pro zvýšenou flexibilitu připojení. Hybridní vazba: Tato pokročilá technologie vazby kombinuje přímé spojení a technologii micro-bump k dosažení elektrické propojení s vysokou hustotou mezi čipy a vysoce kvalitními optickými rozhraními. Je to obzvláště slibné pro vysoce výkonnou optoelektronickou kointegraci. Pájné nárazové vazby: Podobně jako lepení flip chip se pájky používají k vytváření elektrických připojení. V souvislosti s optoelektronickou integrací však musí být věnována zvláštní pozornost zabránění poškození fotonických komponent způsobených tepelným napětím a udržování optického zarovnání.
Obrázek 1 :: Elektronový/fotonový čip na čip
Výhody těchto přístupů jsou významné: protože svět CMOS nadále sleduje zlepšení Mooreova zákona, bude možné rychle přizpůsobit každou generaci CMO nebo BI-CMOS na levný křemíkový fotonický čip a vytěží výhody nejlepších procesů ve fotonice a elektronice. Protože fotonika obecně nevyžaduje výrobu velmi malých struktur (typické velikosti klíčů asi 100 nanometrů) a zařízení jsou ve srovnání s tranzistory velká, ekonomické úvahy budou mít tendenci tlačit fotonická zařízení v samostatném procesu, oddělená od jakékoli pokročilé elektroniky potřebné pro konečný produkt.
Výhody:
1, Flexibilita: Různé materiály a procesy lze použít samostatně k dosažení nejlepšího výkonu elektronických a fotonických komponent.
2, Zralost procesu: Použití zralých výrobních procesů pro každou součást může zjednodušit výrobu a snížit náklady.
3, Snadnější upgrade a údržba: Oddělení komponent umožňuje, aby se jednotlivé komponenty nahradily nebo upgradovaly snadněji, aniž by to ovlivnilo celý systém.
Výzva:
1, Ztráta propojení: připojení mimo čip zavádí další ztrátu signálu a může vyžadovat komplexní postupy zarovnání.
2, Zvýšená složitost a velikost: Jednotlivé komponenty vyžadují další balení a propojení, což má za následek větší velikosti a potenciálně vyšší náklady.
3, Vyšší spotřeba energie: Delší cesty signálu a další balení mohou zvýšit požadavky na výkon ve srovnání s monolitickou integrací.
Závěr:
Výběr mezi integrací monolitu a více čipů závisí na požadavcích specifických pro aplikaci, včetně výkonnostních cílů, omezení velikosti, nákladů a technologické zralosti. Navzdory výrobní složitosti je monolitická integrace výhodná pro aplikace, které vyžadují extrémní miniaturizaci, nízkou spotřebu energie a vysokorychlostní přenos dat. Místo toho integrace více čipů nabízí větší flexibilitu designu a využívá stávající výrobní schopnosti, díky čemuž je vhodná pro aplikace, kde tyto faktory převažují nad výhodami přísnější integrace. Jak výzkum postupuje, zkoumají se také hybridní přístupy, které kombinují prvky obou strategií, aby optimalizovaly výkon systému a zároveň zmírnily výzvy spojené s každým přístupem.
Čas příspěvku:-08-2024