Optoelektronická integrační metoda

Optoelektronickéintegrační metoda

Integracefotonikaa elektronika je klíčovým krokem ke zlepšení schopností systémů pro zpracování informací, umožňuje rychlejší přenos dat, nižší spotřebu energie a kompaktnější design zařízení a otevírá obrovské nové příležitosti pro návrh systému. Integrační metody se obecně dělí do dvou kategorií: monolitická integrace a multičipová integrace.

Monolitická integrace
Monolitická integrace zahrnuje výrobu fotonických a elektronických součástek na stejném substrátu, obvykle za použití kompatibilních materiálů a procesů. Tento přístup se zaměřuje na vytvoření bezproblémového rozhraní mezi světlem a elektřinou v rámci jediného čipu.
výhody:
1. Snížení ztrát ve vzájemném propojení: Umístění fotonů a elektronických součástek v těsné blízkosti minimalizuje ztráty signálu spojené s připojením mimo čip.
2, Vylepšený výkon: Užší integrace může vést k rychlejším přenosům dat díky kratším signálovým cestám a snížené latenci.
3, Menší velikost: Monolitická integrace umožňuje vysoce kompaktní zařízení, což je výhodné zejména pro aplikace s omezeným prostorem, jako jsou datová centra nebo ruční zařízení.
4, snížit spotřebu energie: eliminovat potřebu samostatných balíčků a dálkového propojení, což může výrazně snížit požadavky na energii.
Výzva:
1) Materiálová kompatibilita: Najít materiály, které podporují jak vysoce kvalitní elektrony, tak fotonické funkce, může být náročné, protože často vyžadují různé vlastnosti.
2, kompatibilita procesů: Integrace různých výrobních procesů elektroniky a fotonů na stejném substrátu bez snížení výkonu kterékoli součásti je složitý úkol.
4, Složitá výroba: Vysoká přesnost požadovaná pro elektronické a fotononické struktury zvyšuje složitost a náklady na výrobu.

Vícečipová integrace
Tento přístup umožňuje větší flexibilitu při výběru materiálů a procesů pro každou funkci. Při této integraci elektronické a fotonické komponenty pocházejí z různých procesů a jsou pak sestaveny dohromady a umístěny na společný obal nebo substrát (obrázek 1). Nyní si uveďme seznam vazebných režimů mezi optoelektronickými čipy. Přímé spojení: Tato technika zahrnuje přímý fyzický kontakt a spojení dvou rovinných povrchů, obvykle usnadněných silami molekulárního spojení, teplem a tlakem. Výhodou je jednoduchost a potenciálně velmi nízké ztráty spojení, ale vyžaduje přesně vyrovnané a čisté povrchy. Vazba vlákno/mřížka: V tomto schématu je vlákno nebo pole vláken zarovnáno a připojeno k okraji nebo povrchu fotonického čipu, což umožňuje, aby se světlo připojovalo dovnitř a ven z čipu. Mřížku lze také použít pro vertikální spojení, čímž se zlepšuje účinnost přenosu světla mezi fotonickým čipem a vnějším vláknem. Průchozí křemíkové otvory (TSV) a mikro hrbolky: Průchozí křemíkové otvory jsou vertikálním propojením přes křemíkový substrát, což umožňuje, aby čipy byly stohovány ve třech rozměrech. V kombinaci s mikrokonvexními body pomáhají dosáhnout elektrických spojení mezi elektronickými a fotonickými čipy ve vrstvených konfiguracích, vhodných pro integraci s vysokou hustotou. Optická mezivrstva: Optická mezivrstva je samostatný substrát obsahující optické vlnovody, které slouží jako prostředník pro směrování optických signálů mezi čipy. Umožňuje přesné vyrovnání a další pasivníoptické komponentylze integrovat pro zvýšení flexibility připojení. Hybridní spojování: Tato pokročilá technologie spojování kombinuje přímé spojování a technologii mikrobumpů k dosažení vysokohustotního elektrického spojení mezi čipy a vysoce kvalitních optických rozhraní. Je zvláště slibný pro vysoce výkonnou optoelektronickou kointegraci. Pájení hrbolků: Podobně jako spojování flip čipem se pájecí hrbolky používají k vytváření elektrických spojení. V souvislosti s optoelektronickou integrací je však třeba věnovat zvláštní pozornost tomu, aby se zabránilo poškození fotonických komponent způsobeným tepelným namáháním, a zachování optického zarovnání.

Obrázek 1: Schéma vazby elektron/foton čip-čip

Výhody těchto přístupů jsou významné: Protože svět CMOS pokračuje ve vylepšování Moorova zákona, bude možné rychle adaptovat každou generaci CMOS nebo Bi-CMOS na levný křemíkový fotonický čip a využívat výhody nejlepších procesů v fotonika a elektronika. Vzhledem k tomu, že fotonika obecně nevyžaduje výrobu velmi malých struktur (typické velikosti klíče kolem 100 nanometrů) a zařízení jsou ve srovnání s tranzistory velká, ekonomické úvahy budou mít tendenci tlačit fotonická zařízení k výrobě samostatným procesem, odděleným od jakéhokoli pokročilého procesu. elektronika potřebná pro konečný produkt.
výhody:
1, flexibilita: Různé materiály a procesy mohou být použity nezávisle k dosažení nejlepšího výkonu elektronických a fotonických komponent.
2, proces vyspělosti: použití vyspělých výrobních procesů pro každou součást může zjednodušit výrobu a snížit náklady.
3, Snazší upgrade a údržba: Oddělení komponent umožňuje snadnější výměnu nebo upgrade jednotlivých komponent, aniž by to ovlivnilo celý systém.
Výzva:
1, ztráta propojení: Spojení mimo čip představuje další ztrátu signálu a může vyžadovat složité procedury zarovnání.
2, zvýšená složitost a velikost: Jednotlivé komponenty vyžadují dodatečné balení a propojení, což má za následek větší velikosti a potenciálně vyšší náklady.
3, vyšší spotřeba energie: Delší signálové cesty a další balení mohou zvýšit požadavky na napájení ve srovnání s monolitickou integrací.
Závěr:
Volba mezi monolitickou a vícečipovou integrací závisí na požadavcích specifických pro aplikaci, včetně výkonnostních cílů, omezení velikosti, nákladů a vyspělosti technologie. 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 návrhu a využívá stávající výrobní možnosti, takže je vhodná pro aplikace, kde tyto faktory převažují nad výhodami těsnější integrace. Jak výzkum postupuje, jsou také zkoumány hybridní přístupy, které kombinují prvky obou strategií, aby se optimalizoval výkon systému a zároveň se zmírnily výzvy spojené s každým přístupem.