Optoelektronickéintegračná metóda
Integráciafotonikaa elektronika je kľúčovým krokom pri zlepšovaní schopností systémov na spracovanie informácií, umožňuje rýchlejší prenos dát, nižšiu spotrebu energie a kompaktnejšie konštrukcie zariadení a otvára obrovské nové príležitosti pre návrh systému. Integračné metódy sú vo všeobecnosti rozdelené do dvoch kategórií: monolitická integrácia a multičipová integrácia.
Monolitická integrácia
Monolitická integrácia zahŕňa výrobu fotonických a elektronických komponentov 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 prepojovacích strát: Umiestnenie fotónov a elektronických komponentov v tesnej blízkosti minimalizuje straty signálu spojené s pripojeniami mimo čipu.
2, Vylepšený výkon: Užšia integrácia môže viesť k vyššej rýchlosti prenosu dát vďaka kratším signálovým dráham a zníženej latencii.
3, Menšia veľkosť: Monolitická integrácia umožňuje vysoko kompaktné zariadenia, čo je výhodné najmä pre aplikácie s obmedzeným priestorom, ako sú dátové centrá alebo vreckové zariadenia.
4, znížte spotrebu energie: eliminujte potrebu samostatných balíkov a prepojení na veľké vzdialenosti, čo môže výrazne znížiť požiadavky na energiu.
výzva:
1) Materiálová kompatibilita: Hľadanie 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 ktoréhokoľvek komponentu je zložitá úloha.
4, Komplexná výroba: Vysoká presnosť potrebná pre elektronické a fotoónové 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 sú zostavené a umiestnené na spoločnom obale alebo substráte (obrázok 1). Teraz si poďme vymenovať režimy spájania medzi optoelektronickými čipmi. Priame spájanie: Táto technika zahŕňa priamy fyzický kontakt a spájanie dvoch rovinných povrchov, ktoré je zvyčajne uľahčené silami molekulárnej väzby, teplom a tlakom. Má výhodu v jednoduchosti a potenciálne veľmi nízkostratových spojoch, ale vyžaduje 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, aby sa svetlo spájalo dovnútra a von z čipu. Mriežku možno použiť aj na vertikálne spojenie, čím sa zlepší účinnosť prenosu svetla medzi fotonickým čipom a vonkajším vláknom. Priechodné silikónové otvory (TSV) a mikrohrbolčeky: Priechodné silikónové otvory sú vertikálne prepojenia cez kremíkový substrát, čo umožňuje, aby boli čipy stohované v troch rozmeroch. V kombinácii s mikrokonvexnými bodmi pomáhajú dosiahnuť elektrické spojenie medzi elektronickými a fotonickými čipmi v naskladaných konfiguráciách, vhodných pre integráciu s vysokou hustotou. Optická medzivrstva: Optická medzivrstva je samostatný substrát obsahujúci optické vlnovody, ktoré slúžia ako sprostredkovateľ na smerovanie optických signálov medzi čipmi. Umožňuje presné zarovnanie a dodatočnú pasivituoptické komponentymožno integrovať pre väčšiu flexibilitu pripojenia. Hybridné spájanie: Táto pokročilá technológia spájania kombinuje priame spájanie a technológiu mikrobumpov na dosiahnutie elektrických spojení s vysokou hustotou medzi čipmi a vysokokvalitnými optickými rozhraniami. Je obzvlášť sľubný pre vysokovýkonnú optoelektronickú kointegráciu. Spájkovacie hrbolčeky: Podobne ako flip čipové spoje sa spájkovacie hrbolčeky používajú na vytváranie elektrických spojení. V kontexte optoelektronickej integrácie je však potrebné venovať osobitnú pozornosť tomu, aby sa zabránilo poškodeniu fotonických komponentov spôsobeným tepelným namáhaním a udržiavaniu optického zarovnania.
Obrázok 1: Schéma väzby elektrón/fotón čip-čip
Výhody týchto prístupov sú významné: Keďže svet CMOS naďalej sleduje vylepšenia Moorovho zákona, bude možné rýchlo adaptovať každú generáciu CMOS alebo Bi-CMOS na lacný kremíkový fotonický čip a využívať výhody najlepších procesov v fotonika a elektronika. Pretože fotonika vo všeobecnosti nevyžaduje výrobu veľmi malých štruktúr (typické sú veľkosti kľúča 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 akéhokoľvek pokročilého procesu. elektronika potrebná pre konečný produkt.
Výhody:
1, flexibilita: Rôzne materiály a procesy môžu byť použité nezávisle, aby sa dosiahol najlepší výkon elektronických a fotonických komponentov.
2, zrelosť procesu: použitie vyspelých výrobných procesov pre každú zložku môže zjednodušiť výrobu a znížiť náklady.
3, Jednoduchší upgrade a údržba: Oddelenie komponentov umožňuje jednoduchšiu výmenu alebo modernizáciu jednotlivých komponentov bez ovplyvnenia celého systému.
výzva:
1, strata prepojenia: Spojenie mimo čipu predstavuje ďalšiu stratu signálu a môže vyžadovať zložité postupy zarovnávania.
2, zvýšená zložitosť a veľkosť: Jednotlivé komponenty vyžadujú dodatočné balenie a prepojenia, čo vedie k väčším veľkostiam 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:
Voľba medzi monolitickou a viacčipovou integráciou závisí od požiadaviek špecifických pre aplikáciu, vrátane výkonnostných cieľov, obmedzení veľkosti, nákladových úvah a vyspelosti technológie. 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 dizajnu a využíva existujúce výrobné možnosti, vďaka čomu je vhodná pre aplikácie, kde tieto faktory prevažujú nad výhodami užšej integrácie. Ako výskum postupuje, skúmajú sa aj hybridné prístupy, ktoré kombinujú prvky oboch stratégií, aby sa optimalizoval výkon systému a zároveň sa zmiernili výzvy spojené s každým prístupom.
Čas odoslania: júl-08-2024