Metoda optoelektronske integracije

Optoelektronskimetoda integracije

Integracijafotonikai elektronika je ključni korak u poboljšanju mogućnosti sistema za obradu informacija, omogućavajući brže brzine prijenosa podataka, nižu potrošnju energije i kompaktnije dizajne uređaja, te otvarajući ogromne nove mogućnosti za dizajn sistema. Metode integracije se uglavnom dijele u dvije kategorije: monolitna integracija i integracija više čipova.

Monolitna integracija
Monolitna integracija uključuje proizvodnju fotonskih i elektronskih komponenti na istoj podlozi, obično korištenjem kompatibilnih materijala i procesa. Ovaj pristup se fokusira na stvaranje besprijekornog interfejsa između svjetlosti i električne energije unutar jednog čipa.
Prednosti:
1. Smanjite gubitke međusobnih veza: Postavljanje fotona i elektronskih komponenti u neposrednoj blizini minimizira gubitke signala povezane s vezama izvan čipa.
2, Poboljšane performanse: Čvršća integracija može dovesti do većih brzina prijenosa podataka zbog kraćih signalnih putanja i smanjene latencije.
3, Manja veličina: Monolitna integracija omogućava vrlo kompaktne uređaje, što je posebno korisno za primjene s ograničenim prostorom, kao što su podatkovni centri ili ručni uređaji.
4, smanjite potrošnju energije: eliminirajte potrebu za odvojenim paketima i međusobnim vezama na velike udaljenosti, što može značajno smanjiti potrebe za energijom.
Izazov:
1) Kompatibilnost materijala: Pronalaženje materijala koji podržavaju i visokokvalitetne elektrone i fotonske funkcije može biti izazovno jer često zahtijevaju različita svojstva.
2, kompatibilnost procesa: Integriranje različitih proizvodnih procesa elektronike i fotona na istoj podlozi bez smanjenja performansi bilo koje komponente je složen zadatak.
4, Složena proizvodnja: Visoka preciznost potrebna za elektronske i fotonske strukture povećava složenost i troškove proizvodnje.

Integracija više čipova
Ovaj pristup omogućava veću fleksibilnost u odabiru materijala i procesa za svaku funkciju. U ovoj integraciji, elektronske i fotonske komponente dolaze iz različitih procesa, a zatim se sastavljaju zajedno i postavljaju na zajedničko pakovanje ili podlogu (Slika 1). Sada navedimo načine vezivanja između optoelektronskih čipova. Direktno vezivanje: Ova tehnika uključuje direktan fizički kontakt i vezivanje dvije ravne površine, što je obično olakšano molekularnim silama vezivanja, toplotom i pritiskom. Ima prednost jednostavnosti i potencijalno vrlo niskih gubitaka, ali zahtijeva precizno poravnate i čiste površine. Spajanje vlakana/rešetke: U ovoj shemi, vlakno ili niz vlakana je poravnat i vezan za ivicu ili površinu fotonskog čipa, omogućavajući vezivanje svjetlosti u i iz čipa. Rešetka se također može koristiti za vertikalno vezivanje, poboljšavajući efikasnost prenosa svjetlosti između fotonskog čipa i vanjskog vlakna. Prolazne silikonske rupe (TSV) i mikro-izbočine: Prolazne silikonske rupe su vertikalne međusobne veze kroz silikonsku podlogu, omogućavajući slaganje čipova u tri dimenzije. U kombinaciji s mikro-konveksnim tačkama, oni pomažu u postizanju električnih veza između elektronskih i fotonskih čipova u naslaganim konfiguracijama, pogodnim za integraciju visoke gustoće. Optički posrednički sloj: Optički posrednički sloj je zasebna podloga koja sadrži optičke valovode koji služe kao posrednik za usmjeravanje optičkih signala između čipova. Omogućava precizno poravnanje i dodatnu pasivnu...optičke komponentemože se integrirati radi povećane fleksibilnosti povezivanja. Hibridno povezivanje: Ova napredna tehnologija povezivanja kombinira direktno povezivanje i mikro-bump tehnologiju kako bi se postigle električne veze visoke gustoće između čipova i visokokvalitetnih optičkih sučelja. Posebno je obećavajuća za visokoperformansnu optoelektronsku kointegraciju. Lemljenje bump vezivanjem: Slično flip chip vezivanju, lemljenje bump vezivanjem se koristi za stvaranje električnih veza. Međutim, u kontekstu optoelektronske integracije, posebna pažnja mora se posvetiti izbjegavanju oštećenja fotonskih komponenti uzrokovanih termičkim naprezanjem i održavanju optičkog poravnanja.

Slika 1: : Shema vezivanja elektron/foton čip-čip

Prednosti ovih pristupa su značajne: Kako svijet CMOS-a nastavlja pratiti poboljšanja Murovog zakona, bit će moguće brzo prilagoditi svaku generaciju CMOS-a ili Bi-CMOS-a na jeftini silicijumski fotonski čip, koristeći prednosti najboljih procesa u fotonici i elektronici. Budući da fotonika uglavnom ne zahtijeva izradu vrlo malih struktura (tipične su veličine ključeva od oko 100 nanometara) i uređaji su veliki u poređenju s tranzistorima, ekonomska razmatranja će težiti da se fotonski uređaji proizvode u odvojenom procesu, odvojenom od bilo koje napredne elektronike potrebne za konačni proizvod.
Prednosti:
1, fleksibilnost: Različiti materijali i procesi mogu se koristiti nezavisno kako bi se postigle najbolje performanse elektronskih i fotonskih komponenti.
2, zrelost procesa: korištenje zrelih proizvodnih procesa za svaku komponentu može pojednostaviti proizvodnju i smanjiti troškove.
3, Lakša nadogradnja i održavanje: Odvajanje komponenti omogućava lakšu zamjenu ili nadogradnju pojedinačnih komponenti bez utjecaja na cijeli sistem.
Izazov:
1, gubitak međusobne veze: Veza izvan čipa uvodi dodatni gubitak signala i može zahtijevati složene postupke poravnanja.
2, povećana složenost i veličina: Pojedinačne komponente zahtijevaju dodatno pakiranje i međusobne veze, što rezultira većim veličinama i potencijalno višim troškovima.
3, veća potrošnja energije: Duži signalni putevi i dodatno pakovanje mogu povećati zahtjeve za napajanjem u poređenju sa monolitnom integracijom.
Zaključak:
Izbor između monolitne i višečipne integracije zavisi od specifičnih zahtjeva aplikacije, uključujući ciljeve performansi, ograničenja veličine, troškove i zrelost tehnologije. Uprkos složenosti proizvodnje, monolitna integracija je prednost za aplikacije koje zahtijevaju ekstremnu miniaturizaciju, nisku potrošnju energije i brzi prijenos podataka. Umjesto toga, višečipna integracija nudi veću fleksibilnost dizajna i koristi postojeće proizvodne kapacitete, što je čini pogodnom za aplikacije gdje ovi faktori nadmašuju prednosti čvršće integracije. Kako istraživanje napreduje, istražuju se i hibridni pristupi koji kombinuju elemente obje strategije kako bi se optimizirale performanse sistema, a istovremeno ublažili izazovi povezani sa svakim pristupom.