Optoelektroninen integraatiomenetelmä

Optoelektroniikkaintegrointimenetelmä

IntegrointifotoniikkaJa elektroniikka on avainaskel tietojenkäsittelyjärjestelmien ominaisuuksien parantamisessa, nopeamman tiedonsiirtonopeuden, pienemmän virrankulutuksen ja kompaktien laitteiden suunnittelun ja avaamalla valtavia uusia mahdollisuuksia järjestelmän suunnitteluun. Integraatiomenetelmät on yleensä jaettu kahteen luokkaan: monoliittinen integraatio ja monikirki-integraatio.

Monoliittinen integraatio
Monoliittinen integraatio sisältää fotonisten ja elektronisten komponenttien valmistuksen samalla substraatilla, yleensä käyttämällä yhteensopivia materiaaleja ja prosesseja. Tämä lähestymistapa keskittyy saumattoman rajapinnan luomiseen valon ja sähkön välillä yhden sirun sisällä.
Edut:
1. Vähennä kytkentähäviöitä: fotonien ja elektronisten komponenttien sijoittaminen lähellä sijaitsevia signaalihäviöitä, jotka liittyvät sirun ulkopuolisiin yhteyksiin.
2, Parannettu suorituskyky: Tiukempi integraatio voi johtaa nopeampaan tiedonsiirto -nopeuteen lyhyempien signaalireittien ja vähentyneen viiveen vuoksi.
3, pienempi koko: Monoliittinen integraatio mahdollistaa erittäin kompaktit laitteet, mikä on erityisen hyödyllistä avaruusrajoitetuille sovelluksille, kuten tietokeskuksille tai kämmenlaitteille.
4, Vähennä virrankulutusta: Poista erillisten pakettien ja pitkän matkan välisten yhteyksien tarve, mikä voi vähentää merkittävästi tehonvaatimuksia.
Haaste:
1) Materiaalin yhteensopivuus: Materiaalien löytäminen, jotka tukevat sekä korkealaatuisia elektroneja että fotonisia toimintoja, voivat olla haastavia, koska ne vaativat usein erilaisia ​​ominaisuuksia.
2, Prosessin yhteensopivuus: Elektroniikan ja fotonien erilaisten valmistusprosessien integrointi samaan substraattiin heikentämättä minkään komponentin suorituskykyä on monimutkainen tehtävä.
4, monimutkainen valmistus: Elektronisiin ja fotononisiin rakenteisiin vaadittu suuri tarkkuus lisää valmistuksen monimutkaisuutta ja kustannuksia.

Monikärkyn integraatio
Tämä lähestymistapa mahdollistaa paremman joustavuuden materiaalien ja prosessien valinnassa jokaiselle toiminnolle. Tässä integraatiossa elektroniset ja fotoniset komponentit tulevat eri prosesseista ja kootaan sitten yhteen ja asetetaan yhteiseen pakkaukseen tai substraattiin (kuva 1). Nyt luetellaan sidosmuodot optoelektronisten sirujen välillä. Suora sidos: Tämä tekniikka sisältää kahden tasomaisen pinnan suoran fysikaalisen kosketuksen ja sitoutumisen, joita yleensä helpottavat molekyylin sidosvoimat, lämpö ja paine. Sillä on yksinkertaisuus ja mahdollisesti erittäin alhaiset häviöyhteydet, mutta se vaatii tarkasti kohdistettuja ja puhtaita pintoja. Kuitu-/ritiläkytkentä: Tässä kaaviossa kuitu- tai kuituryhmä kohdistetaan ja sidotaan fotonisen sirun reunaan tai pintaan, jolloin valo voidaan kytkeä siruun ja ulos. Ritilää voidaan käyttää myös pystysuoraan kytkemiseen, joka parantaa valon siirron tehokkuutta fotonisen sirun ja ulkoisen kuidun välillä. Slicon-reiät (TSV) ja mikro-iskut: Slicon-reiät ovat pystysuuntaisia ​​yhteyksiä pii-substraatin läpi, jolloin sirut voidaan pinota kolmeen ulottuvuuteen. Yhdistettynä mikrohevyn pisteisiin ne auttavat saavuttamaan sähköiset yhteydet elektronisten ja fotonisten sirujen välillä pinottuissa kokoonpanoissa, jotka sopivat korkean tiheyden integrointiin. Optinen välittäjäkerros: Optinen välittäjäkerros on erillinen substraatti, joka sisältää optisia aaltojohtoja, jotka toimivat välittäjänä optisten signaalien reitittämisessä sirujen välillä. Se mahdollistaa tarkan kohdistuksen ja ylimääräisen passiivisenoptiset komponentitvoidaan integroida lisäämään yhteyden joustavuutta. Hybridi-sidos: Tämä edistynyt sidostekniikka yhdistää suoran sidoksen ja mikro-pompiteknologian, jotta saadaan tiheys sähköyhteydet sirujen ja korkealaatuisten optisten rajapintojen välillä. Se on erityisen lupaava korkean suorituskyvyn optoelektroniselle yhteisympäristölle. Juotosprosentti: Samanlainen kuin flip -sirujen sidos, juotoskuoppia käytetään sähköliitäntöjen luomiseen. Optoelektronisen integraation yhteydessä on kuitenkin kiinnitettävä erityistä huomiota lämpöjännityksen aiheuttamien fotonisten komponenttien vaurioiden välttämiseen ja optisen kohdistuksen ylläpitämiseen.

Kuva 1 :: Elektroni/fotonisiru-siru-sidosjärjestelmä

Näiden lähestymistapojen edut ovat merkittäviä: Kun CMOS-maailma seuraa edelleen Mooren lain parannuksia, on mahdollista mukauttaa nopeasti jokainen CMOS- tai BI-CMOS-sukupolvi halvalla piifotonisella sirulla, mikä hyödyntää fotonian ja elektroniikan parhaiden prosessien etuja. Koska fotoniikka ei yleensä vaadi hyvin pienten rakenteiden valmistusta (noin 100 nanometrin avainkoot ovat tyypillisiä) ja laitteet ovat suuria transistoreihin verrattuna, taloudellisilla näkökohdilla on taipumus ajaa fotonisia laitteita valmistettavaksi erillisessä prosessissa, erotettuna kaikista lopputuotteesta tarvittavista edistyneistä elektroniikasta.
Edut:
1, joustavuus: Eri materiaaleja ja prosesseja voidaan käyttää itsenäisesti elektronisten ja fotonisten komponenttien parhaan suorituskyvyn saavuttamiseksi.
2, Prosessin kypsyys: Kypsien valmistusprosessien käyttö jokaiselle komponentille voi yksinkertaistaa tuotantoa ja vähentää kustannuksia.
3, helpompi päivitys ja ylläpito: Komponenttien erottaminen mahdollistaa yksittäisten komponenttien vaihtamisen tai päivittämisen helpommin vaikuttamatta koko järjestelmään.
Haaste:
1, yhteenliittämishäviö: CHIP-liitäntä tuo ylimääräisen signaalin menetyksen ja voi vaatia monimutkaisia ​​kohdistusmenettelyjä.
2, lisääntynyt monimutkaisuus ja koko: Yksittäiset komponentit vaativat lisäpakkauksia ja yhteyksiä, mikä johtaa suurempiin ja mahdollisesti korkeammat kustannukset.
3, Suurempi virrankulutus: Pidemmät signaaliretit ja lisäpakkaukset voivat lisätä tehontarpeet verrattuna monoliittiseen integraatioon.
Päätelmä:
Valinta monoliittisen ja monen chip-integraation välillä riippuu sovelluskohtaisista vaatimuksista, mukaan lukien suorituskykytavoitteet, kokorajoitukset, kustannusnäkökohdat ja teknologian kypsyys. Monoliittinen integraatio on edullista valmistuksen monimutkaisuudesta sovelluksille, jotka vaativat äärimmäistä miniatyraintia, alhaisen tehonkulutusta ja nopeaa tiedonsiirtoa. Sen sijaan monisirun integrointi tarjoaa suuremman suunnittelun joustavuuden ja hyödyntää olemassa olevia valmistusominaisuuksia, joten se sopii sovelluksiin, joissa nämä tekijät ovat suuremmat kuin tiukemman integraation edut. Tutkimuksen edetessä tutkitaan myös hybridi -lähestymistapoja, jotka yhdistävät molempien strategioiden elementtejä järjestelmän suorituskyvyn optimoimiseksi samalla kun vähentävät jokaiseen lähestymistapaan liittyviä haasteita.