Optoelektroninen integrointimenetelmä

Optoelektroniikkaintegrointimenetelmä

Integrointifotoniikkaja 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 monisiruinen integrointi.

Monoliittinen integraatio
Monoliittiseen integrointiin kuuluu fotonisten ja elektronisten komponenttien valmistus samalle alustalle, yleensä käyttämällä yhteensopivia materiaaleja ja prosesseja. Tämä lähestymistapa keskittyy saumattoman rajapinnan luomiseen valon ja sähkön välille yhdessä sirussa.
Edut:
1. Vähennä yhteenliittämishäviöitä: Fotonien ja elektronisten komponenttien sijoittaminen lähelle minimoi signaalihäviöt, jotka liittyvät sirun ulkopuolisiin yhteyksiin.
2, Parempi suorituskyky: Tiukempi integrointi voi johtaa nopeampiin tiedonsiirtonopeuksiin lyhyempien signaalipolkujen ja pienemmän latenssin ansiosta.
3, Pienempi koko: Monoliittinen integraatio mahdollistaa erittäin pienikokoiset laitteet, mikä on erityisen hyödyllistä rajoitetuissa sovelluksissa, kuten datakeskuksissa tai kannettavissa laitteissa.
4, vähennä virrankulutusta: poista erillisten pakettien ja pitkän matkan yhteenliitäntöjen tarve, mikä voi vähentää merkittävästi tehovaatimuksia.
Haaste:
1) Materiaalien yhteensopivuus: Sekä korkealaatuisia elektroneja että fotonitoimintoja tukevien materiaalien löytäminen voi olla haastavaa, koska ne vaativat usein erilaisia ​​ominaisuuksia.
2, prosessien yhteensopivuus: Elektroniikan ja fotonien eri valmistusprosessien yhdistäminen samalle alustalle ilman, että yhden komponentin suorituskyky heikkenee, on monimutkainen tehtävä.
4, Monimutkainen valmistus: Elektronisten ja fotonisten rakenteiden vaatima korkea tarkkuus lisää valmistuksen monimutkaisuutta ja kustannuksia.

Usean sirun integrointi
Tämä lähestymistapa mahdollistaa suuremman joustavuuden materiaalien ja prosessien valinnassa kutakin toimintoa varten. Tässä integraatiossa elektroniset ja fotonikomponentit tulevat eri prosesseista ja kootaan sitten yhteen ja asetetaan yhteiselle pakkaukselle tai alustalle (kuva 1). Listataan nyt optoelektronisten sirujen väliset sidostavat. Suora sidos: Tämä tekniikka käsittää kahden tasomaisen pinnan suoran fyysisen kosketuksen ja sitomisen, 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/hila-kytkentä: Tässä kaaviossa kuitu tai kuituryhmä kohdistetaan ja liitetään fotonisirun reunaan tai pintaan, mikä mahdollistaa valon kytkemisen siruun ja siitä ulos. Säleikköä voidaan käyttää myös pystysuuntaiseen kytkentään, mikä parantaa valonsiirron tehokkuutta fotonisirun ja ulkokuidun välillä. Läpipiireiät (TSV:t) ja mikrokuopat: Piin läpi kulkevat reiät ovat pystysuoria liitoksia piisubstraatin läpi, mikä mahdollistaa sirujen pinoamisen kolmessa ulottuvuudessa. Yhdessä mikrokupereiden pisteiden kanssa ne auttavat saavuttamaan sähköiset liitännät elektronisten ja fotonisten sirujen välillä pinotuissa kokoonpanoissa, jotka sopivat korkeatiheyksiseen integrointiin. Optinen välikerros: Optinen välikerros on erillinen substraatti, joka sisältää optisia aaltoputkia, jotka toimivat välittäjänä optisten signaalien reitittämisessä sirujen välillä. Se mahdollistaa tarkan kohdistuksen ja lisää passiivistaoptiset komponentitvoidaan integroida lisäämään liitännän joustavuutta. Hybridiliitos: Tässä edistyksellisessä sidostekniikassa yhdistyvät suora sidonta ja mikronystyteknologia, jotta saadaan aikaan korkeatiheyksiset sähköliitännät sirujen ja korkealaatuisten optisten liitäntöjen välillä. Se on erityisen lupaava korkean suorituskyvyn optoelektroniselle yhteisintegraatiolle. Juotosnystyliitos: Samoin kuin flip chip -liitos, juotosnystyjä käytetään sähköliitäntöjen luomiseen. Optoelektronisen integraation yhteydessä on kuitenkin kiinnitettävä erityistä huomiota lämpörasituksen aiheuttamien fotonisten komponenttien vaurioitumisen välttämiseen ja optisen kohdistuksen ylläpitämiseen.

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

Näiden lähestymistapojen edut ovat merkittäviä: Kun CMOS-maailma seuraa edelleen Mooren lain parannuksia, on mahdollista nopeasti mukauttaa jokainen CMOS- tai Bi-CMOS-sukupolvi halvalle piifotonisirulle, mikä hyödyttää parhaita prosesseja. fotoniikka ja elektroniikka. Koska fotoniikka ei yleensä vaadi kovin pienten rakenteiden valmistamista (näppäinkoot ovat tyypillisiä noin 100 nanometriä) ja laitteet ovat suuria verrattuna transistoreihin, taloudellisten näkökohtien vuoksi fotonilaitteet yleensä valmistetaan erillisessä prosessissa, joka on erillään edistyneistä. lopputuotteeseen tarvittava elektroniikka.
Edut:
1, joustavuus: Eri materiaaleja ja prosesseja voidaan käyttää itsenäisesti elektronisten ja fotonikomponenttien parhaan suorituskyvyn saavuttamiseksi.
2, prosessin kypsyys: kypsien valmistusprosessien käyttö kullekin komponentille voi yksinkertaistaa tuotantoa ja vähentää kustannuksia.
3, Helpompi päivitys ja ylläpito: Komponenttien erottelu mahdollistaa yksittäisten komponenttien vaihtamisen tai päivittämisen helpommin vaikuttamatta koko järjestelmään.
Haaste:
1, yhteenliittämisen katkeaminen: Sirun ulkopuolinen liitäntä aiheuttaa ylimääräistä signaalihäviötä ja saattaa vaatia monimutkaisia ​​kohdistustoimenpiteitä.
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 tehovaatimuksia verrattuna monoliittiseen integrointiin.
Johtopäätös:
Valinta monoliittisen ja monisiruisen integroinnin välillä riippuu sovelluskohtaisista vaatimuksista, mukaan lukien suorituskykytavoitteet, kokorajoitukset, kustannusnäkökohdat ja teknologian kypsyys. Valmistuksen monimutkaisuudesta huolimatta monoliittinen integrointi on edullinen sovelluksissa, jotka vaativat äärimmäistä miniatyrisointia, pientä virrankulutusta ja nopeaa tiedonsiirtoa. Sen sijaan monisiruinen integraatio tarjoaa enemmän suunnittelun joustavuutta ja hyödyntää olemassa olevia valmistusvalmiuksia, mikä tekee siitä sopivan sovelluksiin, joissa nämä tekijät ovat suuremmat kuin tiukemman integroinnin edut. Tutkimuksen edetessä tutkitaan myös hybridilähestymistapoja, jotka yhdistävät molempien strategioiden elementtejä, jotta voidaan optimoida järjestelmän suorituskykyä ja lieventää kuhunkin lähestymistapaan liittyviä haasteita.