Optoelektronikai integrációs módszer

Optoelektronikaiintegrációs módszer

Az integrációfotonikaés az elektronika kulcsfontosságú lépés az információfeldolgozó rendszerek képességeinek javításában, lehetővé téve a gyorsabb adatátviteli sebességet, az alacsonyabb energiafogyasztást és a kompaktabb eszközkialakítást, valamint hatalmas új lehetőségeket nyitva meg a rendszertervezés számára. Az integrációs módszerek általában két kategóriába sorolhatók: monolitikus integráció és többchipes integráció.

Monolitikus integráció
A monolitikus integráció fotonikus és elektronikus alkatrészek ugyanazon az aljzaton történő gyártását jelenti, általában kompatibilis anyagok és eljárások használatával. 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 az elektronikus alkatrészek közeli elhelyezése minimalizálja a chipen kívüli csatlakozásokkal járó jelveszteségeket.
2, Javított 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 helyszűkében lévő alkalmazásoknál, például adatközpontoknál vagy kézi eszközöknél.
4, csökkentse az energiafogyasztást: kiküszöböli a különálló csomagok és a nagy távolságú összeköttetések szükségességét, ami jelentősen csökkentheti az energiaigényt.
Kihívás:
1) Anyagkompatibilitás: Nehéz lehet olyan anyagokat találni, amelyek mind a kiváló minőségű elektronokat, mind a fotonikus funkciókat támogatják, mivel gyakran eltérő tulajdonságokat igényelnek.
2, folyamatkompatibilitás: Az elektronika és a fotonok különböző gyártási folyamatainak integrálása ugyanazon az aljzaton bármely alkatrész teljesítményének rontása nélkül összetett feladat.
4, Komplex gyártás: Az elektronikus és fotononikus szerkezetekhez szükséges nagy pontosság növeli a gyártás összetettségét és költségeit.

Többchipes integráció
Ez a megközelítés nagyobb rugalmasságot biztosít az egyes funkciókhoz tartozó anyagok és eljárások kiválasztásában. Ebben az integrációban az elektronikus és fotonikus komponensek különböző eljárásokból származnak, majd összeszerelik és egy közös tokozásra vagy hordozóra helyezik őket (1. ábra). Most soroljuk fel az optoelektronikai chipek közötti kötési módokat. Közvetlen kötés: Ez a technika két sík felület közvetlen fizikai érintkezését és kötését foglalja magában, amit általában molekuláris kötőerők, hő és nyomás tesznek lehetővé. Előnye az egyszerűség és a potenciálisan nagyon alacsony veszteségű kapcsolatok, de pontosan illesztett és tiszta felületeket igényel. Szál/rácsos csatolás: Ebben a sémában a szál vagy száltömb a fotonikus chip széléhez vagy felületéhez van igazítva és rögzítve, lehetővé téve a fény be- és kicsatolását a chipből. A rács függőleges csatolásra is használható, javítva a fényátvitel hatékonyságát a fotonikus chip és a külső szál között. Szilíciumon átmenő lyukak (TSV-k) és mikrodudorok: A szilíciumon átmenő lyukak függőleges összeköttetések egy szilícium hordozón keresztül, lehetővé téve a chipek három dimenzióban történő egymásra rakását. Mikrokonvex pontokkal kombinálva segítenek elektromos kapcsolatokat létrehozni az elektronikus és fotonikus chipek között egymásra rakott konfigurációkban, ami alkalmas nagy sűrűségű integrációra. Optikai közvetítő réteg: Az optikai közvetítő réteg egy különálló hordozó, amely optikai hullámvezetőket tartalmaz, amelyek közvetítőként szolgálnak az optikai jelek chipek közötti irányításában. Lehetővé teszi a precíz igazítást és a további passzív...optikai alkatrészekintegrálható a nagyobb csatlakozási rugalmasság érdekében. Hibrid kötés: Ez a fejlett kötési technológia a közvetlen kötést és a mikro-bump technológiát ötvözi a chipek és a kiváló minőségű optikai interfészek közötti nagy sűrűségű elektromos kapcsolatok eléréséhez. Különösen ígéretes a nagy teljesítményű optoelektronikai kointegráció szempontjából. Forrasztási pontok kötése: A flip chip kötéshez hasonlóan forrasztási pontokat használnak elektromos csatlakozások létrehozására. Az optoelektronikai integráció összefüggésében azonban különös figyelmet kell fordítani a fotonikus alkatrészek hőfeszültség okozta károsodásának elkerülésére és az optikai beállítás fenntartására.

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

Ezen megközelítések előnyei jelentősek: Ahogy a CMOS világa folyamatosan fejlődik Moore törvényében, lehetővé válik a CMOS vagy Bi-CMOS minden generációjának gyors adaptálása egy olcsó szilícium fotonikus chipre, kihasználva a fotonika és az elektronika legjobb eljárásainak előnyeit. Mivel a fotonika általában nem igényli nagyon kis szerkezetek gyártását (a körülbelül 100 nanométeres kulcsméretek jellemzőek), és az eszközök nagyok a tranzisztorokhoz képest, a gazdasági megfontolások arra ösztönzik majd a fotonikus eszközöket, hogy külön folyamatban gyártsák őket, elkülönítve a végtermékhez szükséges fejlett elektronikától.
Előnyök:
1, rugalmasság: Különböző anyagok és eljárások használhatók egymástól függetlenül az elektronikus és fotonikus alkatrészek legjobb teljesítményének elérése érdekében.
2, folyamatérettség: az egyes komponensek kiforrott gyártási folyamatainak alkalmazása egyszerűsítheti a termelést és csökkentheti a költségeket.
3, Könnyebb frissítés és karbantartás: Az alkatrészek szétválasztása lehetővé teszi az egyes alkatrészek könnyebb cseréjét vagy frissítését anélkül, hogy az a teljes rendszert érintené.
Kihívás:
1, összekapcsolási veszteség: A chipen kívüli kapcsolat további jelveszteséget okoz, és összetett illesztési eljárásokat igényelhet.
2, megnövekedett komplexitás 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 további csomagolás növelheti az energiaigényt a monolitikus integrációhoz képest.
Következtetés:
A monolitikus és a többcsipes integráció közötti választás az alkalmazásspecifikus követelményektől függ, beleértve a teljesítménycélokat, a méretkorlátokat, a költségszempontokat és a technológiai érettséget. A gyártási komplexitás ellenére a monolitikus integráció előnyös azoknál az alkalmazásoknál, amelyek extrém miniatürizálást, alacsony energiafogyasztást és nagy sebességű adatátvitelt igényelnek. Ehelyett a többcsipes integráció nagyobb tervezési rugalmasságot kínál, és kihasználja a meglévő gyártási képességeket, így alkalmassá teszi olyan alkalmazásokhoz, ahol ezek a tényezők meghaladják a szorosabb integráció előnyeit. A kutatás előrehaladtával a két stratégia elemeit ötvöző hibrid megközelítéseket is vizsgálják a rendszer teljesítményének optimalizálása, miközben enyhítik az egyes megközelítésekkel járó kihívásokat.