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 felületekre van szükség. 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.
Feladás időpontja: 2024.08.08