Optoelektronikusintegrációs módszer
AfotonikaÉs az elektronika kulcsfontosságú lépés az információfeldolgozó rendszerek képességeinek javításában, lehetővé téve a gyorsabb adatátviteli sebességeket, az alacsonyabb energiafogyasztást és a kompaktabb eszközterveket, és hatalmas új lehetőségeket nyithat meg a rendszertervezéshez. Az integrációs módszereket általában két kategóriába sorolják: a monolit integráció és a multi-chip integráció.
Monolit integráció
A monolit integráció magában foglalja a fotonikus és elektronikus alkatrészek gyártását ugyanazon a szubsztrátumon, általában kompatibilis anyagok és folyamatok felhasználásával. Ez a megközelítés az egyetlen chipen belüli zökkenőmentes felület létrehozására összpontosít.
Előnyök:
1. Csökkentse az összekapcsolási veszteségeket: A fotonok és az elektronikus alkatrészek közvetlen közelében történő elhelyezése minimalizálja a jelveszteségeket a Chip-csatlakozásokhoz.
2, Javított teljesítmény: A szigorúbb integráció gyorsabb adatátviteli sebességet eredményezhet a rövidebb jelsők és a csökkentett késés miatt.
3, Kisebb méret: A monolit integráció lehetővé teszi a rendkívül kompakt eszközöket, amelyek különösen hasznosak a hely korlátozott alkalmazásaihoz, például adatközpontokhoz vagy kézi eszközökhöz.
A 4. ábra, csökkentse az energiafogyasztást: Távolítsa el a külön csomagok és a távolsági összeköttetések szükségességét, ami jelentősen csökkentheti az energiaigényt.
Kihívás:
1) Anyagkompatibilitás: A kiváló minőségű elektronok és a fotonikus funkciók támogató anyagok megtalálása kihívást jelenthet, mivel gyakran eltérő tulajdonságokat igényelnek.
2., Folyamat -kompatibilitás: Az elektronika és a fotonok különféle gyártási folyamatainak integrálása ugyanazon a szubsztráton anélkül, hogy lebontaná az egyik összetevő teljesítményét.
4, Komplex gyártás: Az elektronikus és fotononikus struktúrákhoz szükséges nagy pontosság növeli a gyártás bonyolultságát és költségeit.
Multi-chip integráció
Ez a megközelítés lehetővé teszi a nagyobb rugalmasságot az anyagok és folyamatok kiválasztásában az egyes funkciókhoz. Ebben az integrációban az elektronikus és fotonikus alkatrészek különböző folyamatokból származnak, majd összeszerelik, és egy közös csomagra vagy szubsztrátra helyezik (1. ábra). Most soroljuk fel az optoelektronikus chipek közötti kötési módokat. Közvetlen kötés: Ez a technika magában foglalja két sík felület közvetlen érintkezését és kötését, amelyeket általában a molekuláris kötőerők, a hő és a nyomás megkönnyít. Ennek előnye az egyszerűség és a potenciálisan nagyon alacsony veszteségi csatlakozások, de pontosan igazított és tiszta felületeket igényel. Rost/rácsos csatlakoztatás: Ebben a sémában a rost- vagy szálas tömb be van igazítva, és a fotonikus chip széléhez vagy felületéhez kötve, lehetővé téve a fényt a chipbe és ki. A rács használható függőleges kapcsoláshoz is, javítva a fény átvitelének hatékonyságát a fotonikus chip és a külső rost között. Átmeneti-szilícium-lyukak (TSV) és mikro-daganatok: Az átmenő-szilikon lyukak függőleges összekapcsolások egy szilícium-szubsztráton keresztül, lehetővé téve a chipek három dimenzióba történő egymásra rakását. A mikro-konvex pontokkal kombinálva elősegítik az elektronikus és a fotonikus chipek közötti elektromos csatlakozások elérését egymásra rakott konfigurációkban, amelyek alkalmas a nagy sűrűségű integrációra. Optikai közvetítő réteg: Az optikai közvetítő réteg különálló szubsztrát, amely optikai hullámvezetőket tartalmaz, amelyek közvetítőként szolgálnak az optikai jelek irányításához a chipek között. Ez lehetővé teszi a pontos igazítást és a további passzívoptikai alkatrészekintegrálható a fokozott kapcsolat rugalmasságához. Hibrid kötés: Ez a fejlett kötési technológia ötvözi a közvetlen kötési és mikro-bump technológiát, hogy nagy sűrűségű elektromos csatlakozást érjen el a chipek és a jó minőségű optikai interfészek között. Különösen ígéretes a nagy teljesítményű optoelektronikus kointegráció esetén. Forrasztó dudor kötés: Hasonlóan a flip chipkötéshez, a forrasztó dudorokat használják az elektromos csatlakozások létrehozásához. Az optoelektronikai integrációval összefüggésben azonban különös figyelmet kell fordítani a hőstressz és az optikai igazítás fenntartása által okozott fotonikus komponensek károsodásának elkerülésére.
1. ábra:: Elektron/foton chip-chip kötési séma
Ezeknek a megközelítéseknek az előnyei jelentősek: mivel a CMOS világ továbbra is a Moore törvényének javulását követi, a CMO-k vagy a BI-CMO-k minden generációjának gyorsan adaptálható egy olcsó szilikon fotonikus chiphez, a fotonika és az elektronika legjobb folyamatainak előnyeit élvezni. Mivel a fotonikumok általában nem igényelnek nagyon kicsi szerkezetek előállítását (kb. 100 nanométer kulcsfontosságú mérete tipikus), és az eszközök nagyok a tranzisztorokhoz képest, a gazdasági megfontolások hajlamosak arra, hogy a fotonikus eszközöket külön folyamatban gyárthassák, elválasztva a végső termékhez szükséges fejlett elektronikától.
Előnyök:
1, Rugalmasság: Különböző anyagok és folyamatok függetlenül használhatók az elektronikus és fotonikus alkatrészek legjobb teljesítményének eléréséhez.
2, A folyamat érettsége: Az érett gyártási folyamatok használata az egyes alkatrészeknél egyszerűsítheti a termelést és csökkentheti a költségeket.
3, Könnyebb frissítés és karbantartás: Az alkatrészek elválasztása lehetővé teszi az egyes alkatrészek cseréjét vagy továbbfejlesztését anélkül, hogy a teljes rendszert befolyásolná.
Kihívás:
1, Összekapcsolási veszteség: Az off-chip kapcsolat további jelveszteséget vezet be, és komplex igazítási eljárásokat igényelhet.
A 2. ábra, megnövekedett bonyolultság és méret: Az egyes alkatrészek további csomagolást és összekapcsolást igényelnek, ami nagyobb méretet és potenciálisan magasabb költségeket eredményez.
3, Magasabb energiafogyasztás: A hosszabb jelsők és a kiegészítő csomagolás növeli az energiaigényt a monolit integrációhoz képest.
Következtetés:
A monolit és a multi-chip integráció közötti választás az alkalmazás-specifikus követelményektől függ, ideértve a teljesítménycélokat, a méretkorlátozásokat, a költségmeghatározásokat és a technológiai érettséget. A gyártás bonyolultsága ellenére a monolit integráció előnyös azoknál az alkalmazásoknál, amelyek extrém miniatürizálást, alacsony energiafogyasztást és nagysebességű adatátvitelt igényelnek. Ehelyett a Multi-Chip Integration nagyobb tervezési rugalmasságot kínál, és felhasználja a meglévő gyártási képességeket, így alkalmassá teszi azokat az alkalmazásokra, ahol ezek a tényezők meghaladják a szigorúbb integráció előnyeit. A kutatás előrehaladtával a hibrid megközelítéseket, amelyek mindkét stratégia elemeit kombinálják, szintén feltárják a rendszer teljesítményének optimalizálása érdekében, miközben enyhítik az egyes megközelítésekhez kapcsolódó kihívásokat.
A postai idő: július-2012. július