Optoelektronickýmetóda integrácie
IntegráciafotonikaA ELECTRONICS je kľúčovým krokom pri zlepšovaní schopností systémov spracovania informácií, čo umožňuje rýchlejšie miery prenosu údajov, nižšiu spotrebu energie a kompaktnejšie návrhy zariadení a otváranie obrovských nových príležitostí pre návrh systému. Metódy integrácie sa vo všeobecnosti rozdeľujú do dvoch kategórií: monolitická integrácia a integrácia viacerých čipov.
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 plynulého rozhrania medzi svetlom a elektrinou v rámci jedného čipu.
Výhody:
1. Znížte straty prepojenia: Umiestnenie fotónov a elektronických komponentov v tesnej blízkosti minimalizuje straty signálu spojené s pripojeniami mimo čipu.
2, Vylepšený výkon: Sieťová integrácia môže viesť k rýchlejším rýchlostiam prenosu údajov v dôsledku kratších ciest signálu a zníženej latencie.
3, menšia veľkosť: Monolitická integrácia umožňuje vysoko kompaktné zariadenia, ktoré sú obzvlášť prospešné pre aplikácie obmedzené na priestor, ako sú dátové centrá alebo vreckové zariadenia.
4, Znížte spotrebu energie: Eliminujte potrebu samostatných balíkov a vzájomných prepojení na veľké vzdialenosti, ktoré môžu výrazne znížiť požiadavky na energiu.
Výzva:
1) Kompatibilita materiálu: Nájdenie materiálov, ktoré podporujú vysokokvalitné elektróny a fotonické funkcie, môže byť náročné, pretože často vyžadujú rôzne vlastnosti.
2, Kompatibilita procesu: Integrácia rôznych výrobných procesov elektroniky a fotónov na rovnakom substráte bez degradovania výkonu ktorejkoľvek komponentu je zložitá úloha.
4, Komplexná výroba: Vysoká presnosť potrebná pre elektronické a fotononické štruktúry zvyšuje zložitosť a náklady na výrobu.
Integrácia viacerých čipov
Tento prístup umožňuje väčšiu flexibilitu pri výbere materiálov a procesov pre každú funkciu. V tejto integrácii elektronické a fotonické komponenty pochádzajú z rôznych procesov a potom sa zostavujú spolu a umiestnia na spoločný balík alebo substrát (obrázok 1). Teraz uveďme režimy spojenia medzi optoelektronickými čipmi. Priame spojenie: Táto technika zahŕňa priamy fyzický kontakt a spojenie dvoch planárnych povrchov, zvyčajne uľahčených molekulárnymi väzbovými silami, teplom a tlakom. Má tú výhodu jednoduchosti a potenciálne veľmi nízkych strát, ale vyžaduje presne zarovnané a čisté povrchy. Vlákna/mriežka: V tejto schéme je vláknina alebo vlákno poľa zarovnané a spojené s okrajom alebo povrchom fotonického čipu, čo umožňuje spojenie svetla do a von z čipu. Mriežka sa môže použiť aj na zvislé spojenie, čím sa zlepší účinnosť prenosu svetla medzi fotonickým čipom a vonkajším vláknom. Priepredové otvory (TSV) a mikroúmy: otvory cez silikón sú zvislé prepojenia cez kremíkový substrát, čo umožňuje naskladanie čipov v troch rozmeroch. V kombinácii s mikro-konvexnými bodmi pomáhajú dosiahnuť elektrické spojenia medzi elektronickými a fotonickými čipmi v naskladaných konfiguráciách, ktoré sú vhodné na integráciu s vysokou hustotou. Optická sprostredkovateľská vrstva: Optická sprostredkovateľská vrstva je samostatný substrát obsahujúci optické vlnovody, ktoré slúžia ako sprostredkovateľ na smerovanie optických signálov medzi čipmi. Umožňuje presné zarovnanie a ďalšie pasívneoptické komponentymôže byť integrovaný pre zvýšenú flexibilitu pripojenia. Hybridné spojenie: Táto pokročilá technológia spájania kombinuje priame spojenie a technológiu mikro-hrboly na dosiahnutie elektrických spojení s vysokou hustotou medzi čipmi a vysokokvalitnými optickými rozhraniami. Je to obzvlášť sľubné pre vysoko výkonnú optoelektronickú integráciu. Spútanie spájkovania: Podobne ako pri lepení flip čipov, spájkovacie hrbole sa používajú na vytváranie elektrických pripojení. V kontexte optoelektronickej integrácie sa však musí venovať osobitná pozornosť, aby sa predišlo poškodeniu fotonických komponentov spôsobených tepelným stresom a udržiavaním optického zarovnania.
Obrázok 1 :: Schéma lepenia elektrónov/fotónov
Výhody týchto prístupov sú významné: keďže svet CMOS naďalej sleduje vylepšenia Mooreovho zákona, bude možné rýchlo prispôsobiť každú generáciu CMOS alebo BI-CMOS na lacný kremíkový fotonický čip, pričom získava výhody najlepších procesov vo fotonike a elektronike. Pretože fotonika vo všeobecnosti nevyžaduje výrobu veľmi malých štruktúr (kľúčové veľkosti približne 100 nanometrov sú typické) a zariadenia sú veľké v porovnaní s tranzistormi, ekonomické úvahy budú mať tendenciu tlačiť fotonické zariadenia, aby sa vyrábali v samostatnom procese, oddelené od akejkoľvek pokročilej elektroniky potrebnej pre konečný produkt.
Výhody:
1, flexibilita: Rôzne materiály a procesy sa môžu používať nezávisle na dosiahnutie najlepšieho výkonu elektronických a fotonických komponentov.
2, Spracovanie procesu: Použitie zrelých výrobných procesov pre každú komponent môže zjednodušiť výrobu a znížiť náklady.
3, ľahšia aktualizácia a údržba: Oddelenie komponentov umožňuje ľahšie vymenenie alebo aktualizáciu jednotlivých komponentov bez toho, aby ovplyvnili celý systém.
Výzva:
1, Strata prepojenia: Pripojenie Off-Chip zavádza ďalšiu stratu signálu a môže vyžadovať zložité postupy zarovnania.
2, Zvýšená zložitosť a veľkosť: Jednotlivé komponenty vyžadujú ďalšie balenie a prepojenia, čo vedie k väčším veľkostiam a potenciálne vyšším nákladom.
3, vyššia spotreba energie: Dlhšie signálne cesty a ďalšie balenie môžu zvýšiť požiadavky na energiu v porovnaní s monolitickou integráciou.
Záver:
Výber medzi monolitickou a viacročnou integráciou závisí od požiadaviek špecifických pre aplikáciu vrátane výkonnostných cieľov, obmedzení veľkosti, úvah o nákladoch a technologickej zrelosti. Napriek výrobnej zložitosti je monolitická integrácia výhodná pre aplikácie, ktoré si vyžadujú extrémnu miniaturizáciu, nízku spotrebu energie a vysokorýchlostný prenos údajov. Namiesto toho integrácia viacerých čipov ponúka väčšiu flexibilitu dizajnu a využíva existujúce výrobné schopnosti, vďaka čomu je vhodná pre aplikácie, v ktorých tieto faktory prevažujú nad výhodami prísnejšej integrácie. Ako výskum postupuje, skúmajú sa aj hybridné prístupy, ktoré kombinujú prvky oboch stratégií, aby sa optimalizoval výkon systému a zároveň zmierňoval výzvy spojené s každým prístupom.
Čas príspevku: júl-08-2024