Optoelektroninen integrointimenetelmä

Optoelektroninenintegrointimenetelmä

Integraatiofotoniikkaja elektroniikka on keskeinen askel tietojenkäsittelyjärjestelmien ominaisuuksien parantamisessa, mikä mahdollistaa nopeammat tiedonsiirtonopeudet, pienemmän virrankulutuksen ja kompaktimman laitesuunnittelun sekä avaa valtavia uusia mahdollisuuksia järjestelmäsuunnittelulle. Integrointimenetelmät jaetaan yleensä kahteen luokkaan: monoliittinen integrointi ja monisiruintegrointi.

Monoliittinen integrointi
Monoliittinen integrointi tarkoittaa fotonisten ja elektronisten komponenttien valmistamista samalle alustalle, yleensä käyttämällä yhteensopivia materiaaleja ja prosesseja. Tämä lähestymistapa keskittyy saumattoman rajapinnan luomiseen valon ja sähkön välille yhden sirun sisällä.
Edut:
1. Vähennä yhteenliitäntähäviöitä: Fotonien ja elektronisten komponenttien sijoittaminen lähelle toisiaan minimoi sirun ulkopuolisiin liitäntöihin liittyvät signaalihäviöt.
2, Parannettu suorituskyky: Tiiviimpi integrointi voi johtaa nopeampiin tiedonsiirtonopeuksiin lyhyempien signaalireittien ja pienemmän latenssin ansiosta.
3, Pienempi koko: Monoliittinen integrointi mahdollistaa erittäin kompaktien laitteiden valmistuksen, mikä on erityisen hyödyllistä tilaa rajoittavissa sovelluksissa, kuten datakeskuksissa tai kannettavissa laitteissa.
4, vähentää virrankulutusta: poistaa erillisten pakkausten ja pitkän matkan yhteenliitäntöjen tarpeen, mikä voi merkittävästi vähentää virrankulutusta.
Haaste:
1) Materiaalien yhteensopivuus: Sekä korkealaatuisia elektroneja että fotonisia toimintoja tukevien materiaalien löytäminen voi olla haastavaa, koska ne vaativat usein erilaisia ​​ominaisuuksia.
2, prosessien yhteensopivuus: Elektroniikan ja fotonien erilaisten valmistusprosessien integrointi samalle alustalle heikentämättä minkään komponentin suorituskykyä on monimutkainen tehtävä.
4, Monimutkainen valmistus: Elektronisten ja fotonisten rakenteiden vaatima korkea tarkkuus lisää valmistuksen monimutkaisuutta ja kustannuksia.

Monisiruintegraatio
Tämä lähestymistapa mahdollistaa suuremman joustavuuden materiaalien ja prosessien valinnassa kullekin toiminnolle. Tässä integroinnissa elektroniset ja fotoniset komponentit tulevat eri prosesseista ja ne kootaan sitten yhteen ja asetetaan yhteiselle kotelolle tai substraatille (kuva 1). Listataan nyt optoelektronisten sirujen väliset liitäntämuodot. Suora liitäntä: Tämä tekniikka sisältää kahden tasomaisen pinnan suoran fyysisen kosketuksen ja liittämisen, jota yleensä helpottavat molekyylisidosvoimat, lämpö ja paine. Sen etuna on yksinkertaisuus ja mahdollisesti erittäin pienihäviöiset liitännät, mutta se vaatii tarkasti kohdistetut ja puhtaat pinnat. Kuitu-/hilakytkentä: Tässä järjestelmässä kuitu tai kuituryhmä on kohdistettu ja liitetty fotonisirun reunaan tai pintaan, jolloin valo voi kytkeytyä siruun ja siitä pois. Hilaa voidaan käyttää myös pystysuoraan kytkentään, mikä parantaa valonsiirron tehokkuutta fotonisirun ja ulkoisen kuidun välillä. Piiläpireiät (TSV) ja mikrokohoumat: Piiläpireiät ovat pystysuoria liitoksia piisubstraatin läpi, jolloin sirut voidaan pinota kolmiulotteisesti. Yhdessä mikrokuperien pisteiden kanssa ne auttavat saavuttamaan sähköisiä yhteyksiä elektronisten ja fotonisten sirujen välillä pinotussa kokoonpanossa, mikä soveltuu tiheään integrointiin. Optinen välikerros: Optinen välikerros on erillinen substraatti, joka sisältää optisia aaltojohteita, jotka toimivat välittäjänä optisten signaalien reitittämiseen sirujen välillä. Se mahdollistaa tarkan kohdistuksen ja lisää passiivisia...optiset komponentitvoidaan integroida liitäntäjoustavuuden lisäämiseksi. Hybridiliitos: Tämä edistynyt liitostekniikka yhdistää suoraliitoksen ja mikrotäplätekniikan, jolloin saavutetaan tiheät sähköiset liitännät sirujen ja korkealaatuisten optisten rajapintojen välillä. Se on erityisen lupaava tehokkaassa optoelektronisessa yhteisintegraatiossa. Juotostäpläliitos: Samoin kuin flip chip bondingissa, juotostäpliä käytetään sähköisten liitosten luomiseen. Optoelektronisen integraation yhteydessä on kuitenkin kiinnitettävä erityistä huomiota fotonisten komponenttien lämpörasituksen aiheuttamien vaurioiden välttämiseen ja optisen kohdistuksen ylläpitämiseen.

Kuva 1: Elektroni/fotoni-siru-siru-sidontakaavio

Näiden lähestymistapojen edut ovat merkittäviä: CMOS-maailman jatkuvasti kehittyessä Mooren laissa on mahdollista sovittaa jokainen CMOS- tai Bi-CMOS-sukupolvi nopeasti halvalle piipohjaiselle fotonipiirille, hyödyntäen fotoniikan ja elektroniikan parhaita prosesseja. Koska fotoniikka ei yleensä vaadi hyvin pienten rakenteiden valmistusta (tyypillisiä avainkokoja on noin 100 nanometriä) ja laitteet ovat suuria verrattuna transistoreihin, taloudelliset näkökohdat yleensä ajavat fotonisten laitteiden valmistukseen erillisessä prosessissa, erillään lopputuotteeseen tarvittavasta edistyneestä elektroniikasta.
Edut:
1, joustavuus: Erilaisia ​​materiaaleja ja prosesseja voidaan käyttää itsenäisesti elektronisten ja fotonisten komponenttien parhaan suorituskyvyn saavuttamiseksi.
2, prosessin kypsyys: kypsien valmistusprosessien käyttö kullekin komponentille voi yksinkertaistaa tuotantoa ja vähentää kustannuksia.
3, Helpompi päivitys ja ylläpito: Komponenttien erottaminen mahdollistaa yksittäisten komponenttien helpomman vaihtamisen tai päivittämisen vaikuttamatta koko järjestelmään.
Haaste:
1, yhteenliittämishäviö: Sirun ulkopuolinen yhteys aiheuttaa lisää signaalihäviötä ja voi vaatia monimutkaisia ​​​​kohdistusmenettelyjä.
2, lisääntynyt monimutkaisuus ja koko: Yksittäiset komponentit vaativat lisäpakkauksia ja -liitäntöjä, mikä johtaa suurempiin kokoihin ja mahdollisesti korkeampiin kustannuksiin.
3, suurempi virrankulutus: Pidemmät signaalireitit ja lisäpakkaus voivat lisätä tehontarvetta verrattuna monoliittiseen integrointiin.
Johtopäätös:
Monoliittisen ja monisiruintegraation välinen valinta riippuu sovelluskohtaisista vaatimuksista, mukaan lukien suorituskykytavoitteet, kokorajoitukset, kustannusnäkökohdat ja teknologian kypsyysaste. Valmistuksen monimutkaisuudesta huolimatta monoliittinen integraatio on edullinen sovelluksissa, jotka vaativat äärimmäistä miniatyrisointia, alhaista virrankulutusta ja nopeaa tiedonsiirtoa. Sen sijaan monisiruintegraatio tarjoaa suurempaa suunnittelujoustavuutta ja hyödyntää olemassa olevia valmistusominaisuuksia, mikä tekee siitä sopivan sovelluksiin, joissa nämä tekijät ovat suuremmat kuin tiiviimmän integraation hyödyt. Tutkimuksen edetessä tutkitaan myös hybridilähestymistapoja, jotka yhdistävät molempien strategioiden elementtejä järjestelmän suorituskyvyn optimoimiseksi ja samalla kumpaankin lähestymistapaan liittyvien haasteiden lieventämiseksi.