Optoelektronikametoda integracji
Integracjafotonikai elektroniki to kluczowy krok w ulepszaniu możliwości systemów przetwarzania informacji, umożliwiającym szybsze przesyłanie danych, mniejsze zużycie energii i bardziej kompaktowe konstrukcje urządzeń oraz otwierający nowe, ogromne możliwości projektowania systemów. Metody integracji dzieli się ogólnie na dwie kategorie: integracja monolityczna i integracja wieloukładowa.
Integracja monolityczna
Integracja monolityczna polega na wytwarzaniu komponentów fotonicznych i elektronicznych na tym samym podłożu, zwykle przy użyciu kompatybilnych materiałów i procesów. Podejście to skupia się na stworzeniu płynnego interfejsu pomiędzy światłem i energią elektryczną w ramach jednego chipa.
Zalety:
1. Zmniejsz straty w połączeniach wzajemnych: Umieszczenie fotonów i komponentów elektronicznych blisko siebie minimalizuje straty sygnału związane z połączeniami poza chipem.
2, Lepsza wydajność: Ściślejsza integracja może prowadzić do większych prędkości przesyłania danych ze względu na krótsze ścieżki sygnału i zmniejszone opóźnienia.
3, Mniejszy rozmiar: Integracja monolityczna pozwala na tworzenie bardzo kompaktowych urządzeń, co jest szczególnie korzystne w zastosowaniach o ograniczonej przestrzeni, takich jak centra danych lub urządzenia przenośne.
4, zmniejsz zużycie energii: wyeliminuj potrzebę oddzielnych pakietów i połączeń międzysieciowych na duże odległości, co może znacznie zmniejszyć zapotrzebowanie na moc.
Wyzwanie:
1) Kompatybilność materiałów: Znalezienie materiałów obsługujących zarówno wysokiej jakości elektrony, jak i funkcje fotoniczne może być wyzwaniem, ponieważ często wymagają one różnych właściwości.
2, zgodność procesów: Integracja różnorodnych procesów produkcyjnych elektroniki i fotonów na tym samym podłożu bez pogorszenia wydajności któregokolwiek komponentu jest złożonym zadaniem.
4, Złożona produkcja: Wysoka precyzja wymagana w przypadku struktur elektronicznych i fotonicznych 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 (rysunek 1). Wymieńmy teraz tryby wiązania pomiędzy chipami optoelektronicznymi. Łączenie bezpośrednie: technika ta obejmuje bezpośredni kontakt fizyczny i łączenie dwóch płaskich powierzchni, zwykle wspomagane przez siły wiązania molekularnego, ciepło i ciśnienie. Ma tę zaletę, że jest prosty i potencjalnie bardzo niskostratny, ale wymaga precyzyjnie wyrównanych i czystych powierzchni. Sprzężenie włókno/siatka: W tym schemacie włókno lub układ włókien jest wyrównany i połączony z krawędzią lub powierzchnią chipa fotonicznego, umożliwiając wprowadzanie i odprowadzanie światła z chipa. Siatkę można również zastosować do sprzęgania pionowego, poprawiając efektywność transmisji światła pomiędzy chipem fotonicznym a włóknem zewnętrznym. Otwory przelotowe w krzemie (TSV) i mikrowypukłości: Otwory w krzemie to pionowe połączenia przechodzące przez podłoże krzemowe, umożliwiające układanie chipów w stosy w trzech wymiarach. W połączeniu z mikrowypukłymi punktami pomagają uzyskać połączenia elektryczne między chipami elektronicznymi i fotonicznymi w konfiguracjach ułożonych warstwowo, odpowiednich do integracji o dużej gęstości. Optyczna warstwa pośrednia: Optyczna warstwa pośrednia to oddzielne podłoże zawierające falowody optyczne, które służą jako pośrednik w kierowaniu sygnałów optycznych pomiędzy chipami. Pozwala na precyzyjne ustawienie i dodatkową pasywnośćelementy optycznemożna zintegrować w celu zwiększenia elastyczności połączeń. Łączenie hybrydowe: Ta zaawansowana technologia łączenia łączy w sobie technologię łączenia bezpośredniego i technologię mikrouderzeń, aby uzyskać połączenia elektryczne o dużej gęstości między chipami i wysokiej jakości interfejsami optycznymi. Jest to szczególnie obiecujące w przypadku wysokowydajnej kointegracji optoelektronicznej. Łączenie lutowane: Podobnie jak w przypadku łączenia typu flip chip, uderzenia lutowane służą do tworzenia połączeń elektrycznych. Jednakże w kontekście integracji optoelektronicznej należy zwrócić szczególną uwagę na uniknięcie uszkodzeń komponentów fotonicznych spowodowanych naprężeniami termicznymi i utrzymanie wyrównania optycznego.
Rysunek 1: Schemat wiązania elektron/foton między chipami
Korzyści płynące z tych podejść są znaczące: w miarę ciągłego udoskonalania prawa Moore’a w świecie technologii CMOS możliwe będzie szybkie dostosowanie każdej generacji pamięci CMOS lub Bi-CMOS do taniego krzemowego chipa fotonicznego, czerpiąc korzyści z najlepszych procesów w fotonika i elektronika. Ponieważ fotonika na ogół nie wymaga wytwarzania bardzo małych struktur (typowe rozmiary kluczy wynoszą około 100 nanometrów), a urządzenia są duże w porównaniu z tranzystorami, względy ekonomiczne będą skłaniać do wytwarzania urządzeń fotonicznych w oddzielnym procesie, oddzielonym od wszelkich zaawansowanych elektronika wymagana do 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 dojrzałych procesów produkcyjnych dla każdego komponentu może uprościć produkcję i obniżyć koszty.
3, Łatwiejsza aktualizacja i konserwacja: Oddzielenie komponentów umożliwia łatwiejszą wymianę lub modernizację poszczególnych komponentów bez wpływu na cały system.
Wyzwanie:
1, utrata połączenia: połączenie poza chipem powoduje dodatkową utratę sygnału i może wymagać skomplikowanych procedur wyrównania.
2, zwiększona złożoność i rozmiar: Poszczególne komponenty wymagają dodatkowego opakowania i połączeń wzajemnych, co skutkuje większymi rozmiarami i potencjalnie wyższymi kosztami.
3, wyższe zużycie energii: dłuższe ścieżki sygnałowe i dodatkowe opakowanie mogą zwiększyć wymagania dotyczące mocy w porównaniu do integracji monolitycznej.
Wniosek:
Wybór pomiędzy integracją monolityczną a integracją wieloukładową zależy od wymagań specyficznych dla aplikacji, w tym celów w zakresie wydajności, ograniczeń rozmiaru, względów kosztowych i dojrzałości technologii. Pomimo złożoności produkcyjnej, integracja monolityczna jest korzystna w zastosowaniach wymagających ekstremalnej miniaturyzacji, niskiego zużycia energii i dużej szybkości transmisji danych. Zamiast tego integracja wielu chipów zapewnia większą elastyczność projektowania i wykorzystuje istniejące możliwości produkcyjne, dzięki czemu nadaje się do zastosowań, w których te czynniki przewyższają korzyści wynikające ze ściślejszej integracji. W miarę postępu badań badane są również podejścia hybrydowe, które łączą elementy obu strategii w celu optymalizacji wydajności systemu, jednocześnie łagodząc wyzwania związane z każdym podejściem.
Czas publikacji: 8 lipca 2024 r