Optoelektronikai integrációs módszer

Optoelektronikusintegrációs módszer

Az integrációfotonikaaz elektronika pedig kulcsfontosságú lépés az információfeldolgozó rendszerek képességeinek fejlesztésében, ami gyorsabb adatátviteli sebességet, alacsonyabb energiafogyasztást és kompaktabb készülékkialakítást tesz lehetővé, és hatalmas új lehetőségeket nyit meg a rendszertervezésben. Az integrációs módszerek általában két kategóriába sorolhatók: monolitikus integráció és többchipes integráció.

Monolit integráció
A monolitikus integráció magában foglalja a fotonikus és elektronikus alkatrészek gyártását ugyanazon a hordozón, általában kompatibilis anyagok és eljárások felhasználásával. Ez a megközelítés a fény és az elektromosság közötti zökkenőmentes interfész létrehozására összpontosít egyetlen chipen belül.
Előnyök:
1. Csökkentse az összekapcsolási veszteségeket: A fotonok és elektronikus alkatrészek közeli elhelyezése minimalizálja a chipen kívüli csatlakozásokkal kapcsolatos jelveszteséget.
2, Jobb teljesítmény: A szorosabb integráció gyorsabb adatátviteli sebességet eredményezhet a rövidebb jelutak és a csökkentett késleltetés miatt.
3, Kisebb méret: A monolitikus integráció rendkívül kompakt eszközöket tesz lehetővé, ami különösen előnyös a korlátozott helyű alkalmazásoknál, mint például adatközpontok vagy kézi eszközök.
4, csökkentse az energiafogyasztást: nincs szükség külön csomagokra és nagy távolságú összeköttetésekre, amelyek jelentősen csökkenthetik az energiaszükségletet.
Kihívás:
1) Anyagkompatibilitás: A kiváló minőségű elektronokat és a fotonikus funkciókat egyaránt támogató anyagok megtalálása kihívást jelenthet, mivel gyakran eltérő tulajdonságokat igényelnek.
2, folyamat-kompatibilitás: Az elektronika és a fotonok különböző gyártási folyamatainak integrálása ugyanazon a hordozón anélkül, hogy bármelyik komponens teljesítménye csökkenne, összetett feladat.
4, Komplex gyártás: Az elektronikus és fotonos szerkezetekhez szükséges nagy pontosság növeli a gyártás bonyolultságát és költségét.

Több chipes integráció
Ez a megközelítés nagyobb rugalmasságot tesz lehetővé az anyagok és folyamatok kiválasztásában az egyes funkciókhoz. Ebben az integrációban az elektronikus és a fotonikus komponensek különböző folyamatokból származnak, majd összeszerelik őket, és egy közös csomagra vagy hordozóra helyezik (1. ábra). Most soroljuk fel az optoelektronikai chipek közötti kötési módokat. Közvetlen kötés: Ez a technika két sík felület közvetlen fizikai érintkezését és ragasztását foglalja magában, amit általában molekuláris kötési erők, hő és nyomás segít elő. Előnye az egyszerűség és a potenciálisan nagyon alacsony veszteségű csatlakozások, de pontosan beállított és tiszta felületeket igényel. Szál/rács csatolás: Ebben a sémában a szál vagy száltömb a fotonikus chip széléhez vagy felületéhez van igazítva, és hozzá van kötve, lehetővé téve a fény be- és kikapcsolását a chipbe. A rács függőleges csatolásra is használható, javítva a fényáteresztés hatékonyságát a fotonikus chip és a külső szál között. Átmenő szilícium lyukak (TSV) és mikrodudorok: Az átmenő szilícium lyukak függőleges összeköttetések egy szilíciumhordozón keresztül, lehetővé téve a chipek három dimenzióban történő egymásra helyezését. Mikrokonvex pontokkal kombinálva segítik az elektronikus és fotonikus chipek közötti elektromos kapcsolatokat egymásra halmozott konfigurációkban, amelyek alkalmasak nagy sűrűségű integrációra. Optikai közbenső réteg: Az optikai közbenső réteg egy különálló hordozó, amely optikai hullámvezetőket tartalmaz, amelyek közvetítőként szolgálnak az optikai jelek chipek közötti továbbításához. Lehetővé teszi a pontos igazítást és további passzívoptikai alkatrészekintegrálható a nagyobb csatlakozási rugalmasság érdekében. Hibrid kötés: Ez a fejlett kötési technológia a közvetlen kötést és a mikrobump technológiát ötvözi, hogy nagy sűrűségű elektromos kapcsolatokat hozzon létre a chipek és a kiváló minőségű optikai interfészek között. Különösen ígéretes a nagy teljesítményű optoelektronikai kointegráció szempontjából. Forrasztási dudorok: A flip chip ragasztáshoz hasonlóan a forrasztódudorokat elektromos csatlakozások létrehozására használják. Az optoelektronikai integráció kapcsán azonban különös figyelmet kell fordítani a fotonikus komponensek termikus igénybevétel által okozott károsodásának elkerülésére és az optikai igazítás fenntartására.

1. ábra: : Elektron/foton chip-chip kötési séma

Ezeknek a megközelítéseknek az előnyei jelentősek: Mivel a CMOS világ továbbra is követi a Moore-törvény fejlődését, lehetővé válik a CMOS vagy Bi-CMOS minden generációjának gyors adaptálása egy olcsó szilícium fotonikus chipre, kihasználva a legjobb folyamatok előnyeit fotonika és elektronika. Mivel a fotonika általában nem igényli nagyon kis szerkezetek gyártását (a tipikusan körülbelül 100 nanométeres kulcsméretek), és az eszközök nagyok a tranzisztorokhoz képest, a gazdasági megfontolások arra késztetik, hogy a fotonikus eszközöket külön folyamatban gyártsák, elkülönítve minden fejletttől. a végtermékhez szükséges elektronika.
Előnyök:
1, rugalmasság: Különböző anyagok és eljárások egymástól függetlenül használhatók az elektronikus és fotonikus alkatrészek legjobb teljesítményének eléréséhez.
2, a folyamat érettsége: a kiforrott gyártási folyamatok alkalmazása minden egyes komponens esetében leegyszerűsítheti a gyártást és csökkentheti a költségeket.
3, Könnyebb frissítés és karbantartás: Az alkatrészek szétválasztása lehetővé teszi az egyes komponensek egyszerűbb cseréjét vagy frissítését anélkül, hogy az egész rendszert érintené.
Kihívás:
1, összekapcsolási veszteség: A chipen kívüli kapcsolat további jelveszteséget okoz, és bonyolult igazítási eljárásokat igényelhet.
2, megnövekedett összetettség és méret: Az egyes alkatrészek további csomagolást és összekapcsolást igényelnek, ami nagyobb méreteket és potenciálisan magasabb költségeket eredményez.
3, nagyobb energiafogyasztás: A hosszabb jelutak és a kiegészítő csomagolás növelheti az energiaszükségletet a monolitikus integrációhoz képest.
Következtetés:
A monolitikus és a többchipes integráció közötti választás az alkalmazás-specifikus követelményektől függ, beleértve a teljesítménycélokat, a méretkorlátokat, a költségmegfontolásokat és a technológia érettségét. A gyártás bonyolultsága ellenére a monolitikus integráció előnyös olyan alkalmazásoknál, amelyek rendkívüli miniatürizálást, alacsony energiafogyasztást és nagy sebességű adatátvitelt igényelnek. Ehelyett a többchipes integráció nagyobb tervezési rugalmasságot kínál, és kihasználja a meglévő gyártási lehetőségeket, így alkalmas olyan alkalmazásokra, ahol ezek a tényezők meghaladják a szorosabb integráció előnyeit. A kutatás előrehaladtával a két stratégia elemeit ötvöző hibrid megközelítéseket is feltárnak a rendszer teljesítményének optimalizálása és az egyes megközelítésekkel kapcsolatos kihívások mérséklése érdekében.