Метод оптоелектронске интеграције

Оптоелектронскиметода интеграције

Интеграција одфотоникаи електроника је кључни корак у побољшању способности система за обраду информација, омогућавајући брже брзине преноса података, мању потрошњу енергије и компактнији дизајн уређаја, и отварајући огромне нове могућности за дизајн система. Методе интеграције се генерално деле у две категорије: монолитна интеграција и интеграција са више чипова.

Монолитна интеграција
Монолитна интеграција укључује производњу фотонских и електронских компоненти на истој подлози, обично користећи компатибилне материјале и процесе. Овај приступ се фокусира на стварање беспрекорног интерфејса између светлости и струје унутар једног чипа.
Предности:
1. Смањите губитке у интерконекцији: Постављање фотона и електронских компоненти у непосредној близини минимизира губитке сигнала повезане са везама ван чипа.
2, Побољшане перформансе: Чвршћа интеграција може довести до бржих брзина преноса података због краћих путања сигнала и смањене латенције.
3, Мања величина: Монолитна интеграција омогућава високо компактне уређаје, што је посебно корисно за апликације са ограниченим простором, као што су центри података или ручни уређаји.
4, смањите потрошњу енергије: елиминишете потребу за одвојеним пакетима и интерконекцијама на велике удаљености, што може значајно смањити захтеве за напајањем.
изазов:
1) Компатибилност материјала: Проналажење материјала који подржавају и висококвалитетне електроне и фотонске функције може бити изазов јер често захтевају различита својства.
2, компатибилност процеса: Интеграција различитих производних процеса електронике и фотона на истој подлози без деградације перформанси било које компоненте је сложен задатак.
4, Комплексна производња: Висока прецизност потребна за електронске и фотононске структуре повећава сложеност и цену производње.

Интеграција са више чипова
Овај приступ омогућава већу флексибилност у одабиру материјала и процеса за сваку функцију. У овој интеграцији, електронске и фотонске компоненте долазе из различитих процеса, а затим се склапају и постављају на заједничко паковање или подлогу (слика 1). Хајде сада да наведемо начине повезивања између оптоелектронских чипова. Директно везивање: Ова техника укључује директан физички контакт и спајање две равне површине, обично олакшано молекуларним силама везивања, топлотом и притиском. Има предност у једноставности и потенцијално врло малим губицима веза, али захтева прецизно поравнате и чисте површине. Спајање влакна/решетка: У овој шеми, влакно или низ влакана су поравнати и везани за ивицу или површину фотонског чипа, омогућавајући да светлост буде спојена у и из чипа. Решетка се такође може користити за вертикално спајање, побољшавајући ефикасност преноса светлости између фотонског чипа и спољашњег влакна. Пролазне силиконске рупе (ТСВ) и микро-избочине: Рупе кроз силицијум су вертикалне међусобне везе кроз силицијумску подлогу, омогућавајући да се чипови слажу у три димензије. У комбинацији са микро-конвексним тачкама, они помажу у постизању електричних веза између електронских и фотонских чипова у наслаганим конфигурацијама, погодним за интеграцију високе густине. Оптички међуслој: Оптички међуслој је засебан супстрат који садржи оптичке таласоводе који служе као посредник за усмеравање оптичких сигнала између чипова. Омогућава прецизно поравнање и додатну пасивностоптичке компонентеможе се интегрисати за повећану флексибилност повезивања. Хибридно спајање: Ова напредна технологија спајања комбинује директно спајање и микро-бумп технологију како би се постигле електричне везе високе густине између чипова и висококвалитетних оптичких интерфејса. Посебно је обећавајући за оптоелектронску коинтеграцију високих перформанси. Лепљење лемних избочина: Слично лепљењу флип чипова, лемне избочине се користе за стварање електричних веза. Међутим, у контексту оптоелектронске интеграције, посебна пажња се мора посветити избегавању оштећења фотонских компоненти изазваних термичким стресом и одржавању оптичког поравнања.

Слика 1: : Шема везивања електрона/фотона чип-на-чип

Предности ових приступа су значајне: како ЦМОС свет наставља да прати побољшања Муровог закона, биће могуће брзо прилагодити сваку генерацију ЦМОС-а или Би-ЦМОС-а на јефтин силицијумски фотонски чип, убирајући предности најбољих процеса у фотоника и електроника. Будући да фотоника генерално не захтева израду веома малих структура (типичне величине кључева од око 100 нанометара) и да су уређаји велики у поређењу са транзисторима, економска разматрања ће тежити да се фотонски уређаји производе у посебном процесу, одвојеном од било ког напредног електроника потребна за финални производ.
Предности:
1, флексибилност: Различити материјали и процеси могу се користити независно да би се постигле најбоље перформансе електронских и фотонских компоненти.
2, зрелост процеса: употреба зрелих производних процеса за сваку компоненту може поједноставити производњу и смањити трошкове.
3, Лакша надоградња и одржавање: Одвајање компоненти омогућава да се појединачне компоненте лакше замене или надограде без утицаја на цео систем.
изазов:
1, губитак интерконекције: Веза ван чипа доводи до додатног губитка сигнала и може захтевати сложене процедуре поравнања.
2, повећана сложеност и величина: Појединачне компоненте захтевају додатно паковање и међусобне везе, што резултира већим величинама и потенцијално већим трошковима.
3, већа потрошња енергије: Дужи сигнални путеви и додатно паковање могу повећати захтеве за напајањем у поређењу са монолитном интеграцијом.
Закључак:
Избор између монолитне и интеграције са више чипова зависи од захтева специфичних за апликацију, укључујући циљеве перформанси, ограничења величине, разматрања трошкова и зрелост технологије. Упркос сложености производње, монолитна интеграција је корисна за апликације које захтевају екстремну минијатуризацију, ниску потрошњу енергије и брзи пренос података. Уместо тога, интеграција са више чипова нуди већу флексибилност дизајна и користи постојеће производне могућности, што га чини погодним за апликације где ови фактори надмашују предности чвршће интеграције. Како истраживање напредује, истражују се и хибридни приступи који комбинују елементе обе стратегије како би се оптимизовале перформансе система уз ублажавање изазова повезаних са сваким приступом.