OptoelektronicznyMetoda integracji
IntegracjafotonikaA Electronics jest kluczowym krokiem w poprawie możliwości systemów przetwarzania informacji, umożliwiając szybsze szybkości transferu danych, niższe zużycie energii i bardziej kompaktowe projekty urządzeń oraz otwieranie ogromnych nowych możliwości projektowania systemu. Metody integracji są ogólnie podzielone na dwie kategorie: integracja monolityczna i integracja wielu chipów.
Integracja monolityczna
Integracja monolityczna polega na produkcji komponentów fotonicznych i elektronicznych na tym samym podłożu, zwykle przy użyciu kompatybilnych materiałów i procesów. Takie podejście koncentruje się na tworzeniu bezproblemowego interfejsu między światłem a elektrycznością w jednym chipie.
Zalety:
1. Zmniejsz straty wzajemne połączenia: Umieszczanie fotonów i elementów elektronicznych w bliskiej odległości minimalizuje straty sygnału związane z połączeniami poza chipem.
2, Ulepszona wydajność: Boczna integracja może prowadzić do szybszych prędkości transferu danych z powodu krótszych ścieżek sygnału i zmniejszonego opóźnienia.
3, mniejszy rozmiar: Integracja monolityczna pozwala na wysoce kompaktowe urządzenia, które są szczególnie korzystne dla aplikacji ograniczonych przestrzenią, takich jak centra danych lub urządzenia ręczne.
4, Zmniejsz zużycie energii: Wyeliminuj potrzebę oddzielnych pakietów i połączeń na duże odległości, co może znacznie zmniejszyć wymagania energetyczne.
Wyzwanie:
1) Kompatybilność materiału: Znalezienie materiałów obsługujących zarówno wysokiej jakości elektrony, jak i funkcje fotoniczne może być trudne, ponieważ często wymagają różnych właściwości.
2, Kompatybilność procesu: integracja różnorodnych procesów produkcyjnych elektroniki i fotonów na tym samym podłożu bez degradowania wydajności jednego składnika jest złożonym zadaniem.
4, złożona produkcja: Wysoka precyzja wymagana do struktur elektronicznych i fotononicznych zwiększa złożoność i koszty produkcji.
Integracja wielu chipów
Takie podejście pozwala na większą elastyczność w wyborze materiałów i procesów dla każdej funkcji. W tej integracji komponenty elektroniczne i fotoniczne pochodzą z różnych procesów, a następnie są składane razem i umieszczane na wspólnym opakowaniu lub podłożu (ryc. 1). Teraz wymieńmy tryby wiązania między układami optoelektronicznymi. Bezpośrednie wiązanie: Ta technika obejmuje bezpośredni kontakt fizyczny i wiązanie dwóch płaskich powierzchni, zwykle ułatwionych siłami wiązania molekularnego, ciepłem i ciśnieniem. Ma tę zaletę, że prostota i potencjalnie bardzo niskie połączenia strat, ale wymaga precyzyjnie wyrównanych i czystych powierzchni. Sprzężenie włókien/siatki: W tym schemacie tablica włókien lub włókien jest wyrównana i związana z krawędzią lub powierzchnią układu fotonicznego, umożliwiając sprzężenie światła do i poza układem. Krzywka może być również używana do sprzężenia pionowego, poprawiając wydajność transmisji światła między układem fotonicznym a światłowodem zewnętrznym. Otwory przez silikonowe (TSV) i mikro-bumy: otwory przez shilicon to pionowe połączenia przez substrat krzemu, umożliwiając układanie układów w trzech wymiarach. W połączeniu z punktami mikrokonweksu pomagają osiągnąć połączenia elektryczne między układami elektronicznymi i fotonicznymi w konfiguracjach stosowanych, odpowiednich do integracji o dużej gęstości. Optyczna warstwa pośrednia: Optyczna warstwa pośrednia jest osobnym podłożem zawierającym falowody optyczne, które służą jako pośrednik do routingu sygnałów optycznych między układami. Pozwala na precyzyjne wyrównanie i dodatkowe pasywnekomponenty optycznemożna zintegrować w celu zwiększonej elastyczności połączenia. Łączenie hybrydowe: Ta zaawansowana technologia wiązania łączy technologię bezpośredniego wiązania i mikro-bump, aby osiągnąć połączenia elektryczne o wysokiej gęstości między układami i wysokiej jakości interfejsami optycznymi. Jest to szczególnie obiecujące dla wysokowydajnej optoelektronicznej kointegracji. Łączenie lutu: Podobnie jak wiązanie wiórów Flip, guzki lutu są używane do tworzenia połączeń elektrycznych. Jednak w kontekście integracji optoelektronicznej należy zwrócić szczególną uwagę na uniknięcie uszkodzeń komponentów fotonicznych spowodowanych naprężeniem termicznym i utrzymaniem wyrównania optycznego.
Rysunek 1 :: Schemat wiązania układu elektrono-chip-to-chiP
Korzyści z tych podejść są znaczące: ponieważ świat CMOS nadal podąża za poprawą prawa Moore'a, możliwe będzie szybkie dostosowanie każdej generacji CMO lub BI-CMOS do taniego krzemowego układu fotonicznego, czerpiąc korzyści z najlepszych procesów w fotonice i elektronice. Ponieważ fotonika zasadniczo nie wymaga wytwarzania bardzo małych struktur (typowe rozmiary kluczowe około 100 nanometrów), a urządzenia są duże w porównaniu z tranzystorami, względy ekonomiczne będą produkowane w oddzielnym procesie, oddzielone od dowolnej zaawansowanej elektroniki wymaganej dla produktu końcowego.
Zalety:
1, Elastyczność: Różne materiały i procesy mogą być stosowane niezależnie, aby osiągnąć najlepszą wydajność komponentów elektronicznych i fotonicznych.
2, dojrzałość procesu: Zastosowanie dojrzałej procesu produkcyjnego dla każdego komponentu może uprościć produkcję i obniżyć koszty.
3, łatwiejsza aktualizacja i konserwacja: Oddzielenie komponentów umożliwia łatwiejsze wymianę lub aktualizację poszczególnych komponentów bez wpływu na cały system.
Wyzwanie:
1, Utrata połączenia: połączenie poza chipem wprowadza dodatkową utratę sygnału i może wymagać złożonych procedur wyrównania.
2, Zwiększona złożoność i rozmiar: poszczególne elementy wymagają dodatkowych opakowań i połączeń, co powoduje większe rozmiary i potencjalnie wyższe koszty.
3, Wyższe zużycie energii: dłuższe ścieżki sygnału i dodatkowe opakowanie mogą zwiększać wymagania mocy w porównaniu z integracją monolityczną.
Wniosek:
Wybór między integracją monolityczną i wielokrotną zależy od wymagań specyficznych dla aplikacji, w tym celów wydajności, ograniczeń wielkości, rozważań kosztów i dojrzałości technologii. Pomimo złożoności produkcyjnej integracja monolityczna jest korzystna dla zastosowań, które wymagają ekstremalnej miniaturyzacji, niskiego zużycia energii i szybkiej transmisji danych. Zamiast tego integracja z wieloma chipami oferuje większą elastyczność projektową i wykorzystuje istniejące możliwości produkcyjne, dzięki czemu nadaje się do zastosowań, w których czynniki te przeważają nad korzyściami z mocniejszej integracji. W miarę postępów badań badane są również podejścia hybrydowe, które łączą elementy obu strategii w celu optymalizacji wydajności systemu przy jednoczesnym łagodzeniu wyzwań związanych z każdym podejściem.
Czas po: 08-2024 lipca