Optoelektronickéintegračná metóda
Integráciafotonikaa elektronika je kľúčovým krokom k zlepšeniu schopností systémov spracovania informácií, umožňuje rýchlejšie prenosy dát, nižšiu spotrebu energie a kompaktnejšie návrhy zariadení a otvára obrovské nové príležitosti pre návrh systémov. Metódy integrácie sa vo všeobecnosti delia do dvoch kategórií: monolitická integrácia a viacčipová integrácia.
Monolitická integrácia
Monolitická integrácia zahŕňa výrobu fotonických a elektronických súčiastok na rovnakom substráte, zvyčajne s použitím kompatibilných materiálov a procesov. Tento prístup sa zameriava na vytvorenie bezproblémového rozhrania medzi svetlom a elektrinou v rámci jedného čipu.
Výhody:
1. Zníženie strát v prepojení: Umiestnenie fotónov a elektronických súčiastok v tesnej blízkosti minimalizuje straty signálu spojené s prepojeniami mimo čipu.
2, Zlepšený výkon: Užšia integrácia môže viesť k rýchlejším rýchlostiam prenosu dát vďaka kratším signálovým dráham a zníženej latencii.
3, Menšia veľkosť: Monolitická integrácia umožňuje vysoko kompaktné zariadenia, čo je obzvlášť výhodné pre aplikácie s obmedzeným priestorom, ako sú dátové centrá alebo vreckové zariadenia.
4, zníženie spotreby energie: eliminuje potrebu samostatných balíkov a diaľkových prepojení, čo môže výrazne znížiť požiadavky na energiu.
Výzva:
1) Kompatibilita materiálov: Nájdenie materiálov, ktoré podporujú vysokokvalitné elektróny aj fotonické funkcie, môže byť náročné, pretože často vyžadujú odlišné vlastnosti.
2, kompatibilita procesov: Integrácia rôznych výrobných procesov elektroniky a fotónov na rovnakom substráte bez zníženia výkonu ktorejkoľvek súčasti je zložitá úloha.
4, Komplexná výroba: Vysoká presnosť potrebná pre elektronické a fotonické štruktúry zvyšuje zložitosť a náklady na výrobu.
Integrácia viacerých čipov
Tento prístup umožňuje väčšiu flexibilitu pri výbere materiálov a procesov pre každú funkciu. Pri tejto integrácii elektronické a fotonické komponenty pochádzajú z rôznych procesov a potom sa zostavia a umiestnia na spoločné puzdro alebo substrát (obrázok 1). Teraz si uveďme spôsoby spájania medzi optoelektronickými čipmi. Priame spájanie: Táto technika zahŕňa priamy fyzický kontakt a spojenie dvoch rovinných povrchov, zvyčajne uľahčené molekulárnymi väzbovými silami, teplom a tlakom. Má výhodu jednoduchosti a potenciálne veľmi nízkych strát, ale vyžaduje si presne zarovnané a čisté povrchy. Spojenie vlákno/mriežka: V tejto schéme je vlákno alebo pole vlákien zarovnané a spojené s okrajom alebo povrchom fotonického čipu, čo umožňuje spájanie svetla do a z čipu. Mriežka sa môže použiť aj na vertikálne spájanie, čím sa zlepšuje účinnosť prenosu svetla medzi fotonickým čipom a externým vláknom. Priechodné kremíkové otvory (TSV) a mikro-hrbolčeky: Priechodné kremíkové otvory sú vertikálne prepojenia cez kremíkový substrát, ktoré umožňujú stohovanie čipov v troch rozmeroch. V kombinácii s mikrokonvexnými bodmi pomáhajú dosiahnuť elektrické prepojenia medzi elektronickými a fotonickými čipmi v stohovaných konfiguráciách, ktoré sú vhodné pre integráciu s vysokou hustotou. Optická medzivrstva: Optická medzivrstva je samostatný substrát obsahujúci optické vlnovody, ktoré slúžia ako sprostredkovateľ pre smerovanie optických signálov medzi čipmi. Umožňuje presné zarovnanie a dodatočné pasívne...optické komponentyje možné integrovať pre zvýšenú flexibilitu pripojenia. Hybridné bonding: Táto pokročilá technológia bondingu kombinuje priame bonding a technológiu mikro-bump na dosiahnutie vysokohustotných elektrických spojení medzi čipmi a vysokokvalitných optických rozhraní. Je obzvlášť sľubná pre vysokovýkonnú optoelektronickú kointegráciu. Spájkovanie bump bonding: Podobne ako pri bondingu flip chip, aj spájkovacie bump bonding sa používajú na vytváranie elektrických spojení. V kontexte optoelektronickej integrácie je však potrebné venovať osobitnú pozornosť tomu, aby sa predišlo poškodeniu fotonických komponentov spôsobenému tepelným namáhaním a aby sa zachovalo optické zarovnanie.
Obrázok 1: Schéma väzby čipov elektrón/fotón
Výhody týchto prístupov sú významné: Keďže svet CMOS bude naďalej sledovať zlepšovanie Moorovho zákona, bude možné rýchlo adaptovať každú generáciu CMOS alebo Bi-CMOS na lacný kremíkový fotonický čip, čím sa využijú výhody najlepších procesov vo fotonike a elektronike. Keďže fotonika vo všeobecnosti nevyžaduje výrobu veľmi malých štruktúr (typické sú rozmery kľúčov okolo 100 nanometrov) a zariadenia sú v porovnaní s tranzistormi veľké, ekonomické úvahy budú mať tendenciu tlačiť na výrobu fotonických zariadení v samostatnom procese, oddelenom od akejkoľvek pokročilej elektroniky potrebnej pre konečný produkt.
Výhody:
1, flexibilita: Rôzne materiály a procesy sa môžu použiť nezávisle na dosiahnutie najlepšieho výkonu elektronických a fotonických komponentov.
2, zrelosť procesu: použitie zrelých výrobných procesov pre každý komponent môže zjednodušiť výrobu a znížiť náklady.
3, Jednoduchšia aktualizácia a údržba: Oddelenie komponentov umožňuje jednoduchšiu výmenu alebo aktualizáciu jednotlivých komponentov bez ovplyvnenia celého systému.
Výzva:
1, strata prepojenia: Mimočipové pripojenie spôsobuje dodatočnú stratu signálu a môže vyžadovať zložité postupy zarovnania.
2, zvýšená zložitosť a veľkosť: Jednotlivé komponenty vyžadujú dodatočné balenie a prepojenia, čo vedie k väčším rozmerom a potenciálne vyšším nákladom.
3, vyššia spotreba energie: Dlhšie signálové cesty a dodatočné balenie môžu zvýšiť požiadavky na energiu v porovnaní s monolitickou integráciou.
Záver:
Výber medzi monolitickou a viacčipovou integráciou závisí od požiadaviek špecifických aplikácií vrátane výkonnostných cieľov, obmedzení veľkosti, nákladových aspektov a technologickej vyspelosti. Napriek zložitosti výroby je monolitická integrácia výhodná pre aplikácie, ktoré vyžadujú extrémnu miniaturizáciu, nízku spotrebu energie a vysokorýchlostný prenos dát. Namiesto toho viacčipová integrácia ponúka väčšiu flexibilitu návrhu a využíva existujúce výrobné kapacity, vďaka čomu je vhodná pre aplikácie, kde tieto faktory prevažujú nad výhodami užšej integrácie. S postupom výskumu sa skúmajú aj hybridné prístupy, ktoré kombinujú prvky oboch stratégií, aby sa optimalizoval výkon systému a zároveň zmiernili problémy spojené s každým prístupom.
Čas uverejnenia: 8. júla 2024