Metoda optoelektronske integracije

OptoelektronskiMetoda integracije

Integracijafotonikai elektronika je ključni korak u poboljšanju mogućnosti sistema za obradu informacija, omogućavajući brže cijene prijenosa podataka, manju potrošnju energije i kompaktniji dizajn uređaja i otvaranjem ogromnih novih mogućnosti za dizajn sistema. Metode integracije uglavnom su podijeljene u dvije kategorije: monolitna integracija i integracija sa više čipa.

Monolitna integracija
Monolitna integracija uključuje proizvodnju fotonskih i elektroničkih komponenti na istoj podlozi, obično koristeći kompatibilne materijale i procese. Ovaj pristup se fokusira na stvaranje bešavnog sučelja između svjetla i električne energije unutar jednog čipa.
Prednosti:
1 Smanjite gubitke međusobne interkonekcije: postavljanje fotona i elektronskih komponenti u neposrednoj blizini minimizira gubitke signala povezane sa vezama za isključivanje.
2, poboljšane performanse: čvršća integracija može dovesti do brže brzine prijenosa podataka zbog kraćih staza signala i smanjene latency.
3, manja veličina: monolitna integracija omogućava visoko kompaktne uređaje, što je posebno korisno za prostore-ograničene aplikacije, kao što su centri podataka ili ručni uređaji.
4, Smanjite potrošnju energije: eliminirajte potrebu za odvojenim paketima i međusobno povezivanjem, što može značajno smanjiti potrebe za energijom.
Izazov:
1) Kompatibilnost materijala: Pronalaženje materijala koji podržavaju i visokokvalitetni elektroni i fotoničke funkcije mogu biti izazovne jer često zahtijevaju različita svojstva.
2, Kompatibilnost procesa: Integriranje različitih proizvodnih procesa elektronike i fotona na istoj podlozi bez ponižavanja performansi bilo kojeg komponenta je složen zadatak.
4, složena proizvodnja: visoka preciznost potrebna za elektroničke i fotononske strukture povećava složenost i troškove proizvodnje.

Integracija sa više čipova
Ovaj pristup omogućava veću fleksibilnost u odabiru materijala i procesa za svaku funkciju. U ovoj integraciji, elektroničke i fotonske komponente dolaze iz različitih procesa i zatim se sakupljaju zajedno i postavljaju se na zajednički paket ili supstrat (slika 1). Sada nabrojimo načine vezanja između optoelektronskih čipova. Direktno vezivanje: Ova tehnika uključuje izravan fizički kontakt i povezivanje dva planarna površina, obično olakšane molekularnim silama, toplinom i pritiskom. To ima prednost jednostavnosti i potencijalno vrlo niske veze za gubitke, ali zahtijevaju precizno poravnate i čiste površine. Spajanje vlakana / rešetke: U ovoj shemi, niz vlakna ili vlakana je poravnava i vezan za ivicu ili površinu fotonskog čipa, omogućavajući svjetlost u kombinaciji i iz izlaska iz čipa. Rezanje se može koristiti i za vertikalno spajanje, poboljšanje efikasnosti prijenosa svjetlosti između fotonskog čipa i vanjskog vlakana. Kroz-silikonske rupe (TSV) i mikro-izbočici: prolaze se rupe od silicijuma vertikalne interkonekte kroz silikonski podrum, omogućavajući da se čips sklapaju u tri dimenzije. U kombinaciji sa mikro-konveksnim bodovima, pomažu u postizanju električnih priključaka između elektroničkih i fotoničkih čipova u složenim konfiguracijama, pogodnim za integraciju visokog gustoće. Optički posrednički sloj: optički posrednički sloj je zasebna podloga koja sadrži optički valovodi koji služe kao posrednik za usmjeravanje optičkih signala između čipsa. Omogućuje precizno poravnanje i dodatno pasivnoOptičke komponenteMože se integrirati za povećanu fleksibilnost veze. Hibridno vezivanje: Ova napredna tehnologija vezivanja kombinira direktnu vezu i mikro-Bump tehnologiju za postizanje električnih priključaka visoke gustoće između čipsa i visokokvalitetnih optičkih sučelja. Posebno je obećava za optoelektronsku integraciju visokoelektronskog visokoelektrana. Lepljenje za lemljenje: Slično lepljenjem Flip čipa, nalete za lemljenje koriste se za stvaranje električnih priključaka. Međutim, u kontekstu optoelektronske integracije mora se posvetiti posebna pažnja na izbjegavanje oštećenja fotonskih komponenti uzrokovanih termičkim stresom i održavanjem optičkog poravnanja.

Slika 1 ::: Shema povezivanja za povezivanje sa čipom od elektrona / fotona

Prednosti ovih pristupa su značajne: jer CMOS svijet i dalje slijedi poboljšanja Mooreovog zakona, bit će moguće brzo prilagoditi svaku generaciju CMOS-a ili BI-CMOS-a na jeftini silicijum fotonični čip, ukidati prednosti najboljih procesa u fotoniku i elektroniku. Budući da su fotonika uglavnom ne zahtijeva izradu vrlo manjih konstrukcija (ključne veličine oko 100 nanometara), a uređaji veliki u odnosu na tranzistore, ekonomska razmatranja obično će gurnuti fotoničke uređaje koji se proizvode u zasebnom procesu, odvojenom od bilo koje napredne elektronike potrebne za krajnji proizvod.
Prednosti:
1, fleksibilnost: različiti materijali i procesi mogu se koristiti samostalno za postizanje najbolje performanse elektroničkih i fotonskih komponenti.
2, ročnost procesa: Upotreba zrelih procesa proizvodnje za svaku komponentu može pojednostaviti proizvodnju i smanjiti troškove.
3, lakše nadogradnje i održavanje: Odvajanje komponenti omogućava da se pojedinačne komponente zamjenjuju ili nadograđuju lakše bez utjecaja na cijeli sustav.
Izazov:
1, gubitak međusobnog povezivanja: Off-čip veza uvodi dodatni gubitak signala i može zahtijevati složene postupke usklađivanja.
2, Povećana složenost i veličina: Pojedinačne komponente zahtijevaju dodatnu ambalažu i međusobne veze, što rezultira većim veličinama i potencijalno većim troškovima.
3, veća potrošnja energije: Dulji signalni putevi i dodatno pakiranje mogu povećati potrebe za energijom u odnosu na monolitnu integraciju.
Zaključak:
Odabir monolitske i multi-čipne integracije ovisi o zahtjevima specifičnim za primjenu, uključujući ciljeve performansi, ograničenja veličine, troškova razmatranja i roktnosti tehnologije. Unatoč složenosti proizvodnje, monolitna integracija je povoljna za aplikacije koje zahtijevaju ekstremnu minijaturizaciju, malu potrošnju energije i velike brzine prijenosa podataka. Umjesto toga, integracija s više čipa nudi veću fleksibilnost dizajna i koristi postojeće proizvodne mogućnosti, što ga čini pogodnim za aplikacije u kojima ti faktori nadmašuju prednosti čvršće integracije. Kako se istraživanja napreduju, hibridni pristupi koji kombiniraju elemente obje strategije se takođe istražuju kako bi se optimizirali performanse sistema dok ublažava izazove povezane sa svakim pristupom.