Метода оптоелектронске интеграције

Оптоелектронскиметод интеграције

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

Монолитна интеграција
Монолитна интеграција подразумева производњу фотонских и електронских компоненти на истој подлози, обично коришћењем компатибилних материјала и процеса. Овај приступ се фокусира на стварање беспрекорног интерфејса између светлости и електрицитета унутар једног чипа.
Предности:
1. Смањење губитака међусобних веза: Постављање фотона и електронских компоненти у непосредној близини минимизира губитке сигнала повезане са везама ван чипа.
2, Побољшане перформансе: Чвршћа интеграција може довести до већих брзина преноса података због краћих путања сигнала и смањене латенције.
3, Мања величина: Монолитна интеграција омогућава веома компактне уређаје, што је посебно корисно за апликације са ограниченим простором, као што су центри података или ручни уређаји.
4, смањите потрошњу енергије: елиминишите потребу за одвојеним пакетима и међусобним везама на велике удаљености, што може значајно смањити потребе за напајањем.
Изазов:
1) Компатибилност материјала: Проналажење материјала који подржавају и висококвалитетне електроне и фотонске функције може бити изазовно јер често захтевају различита својства.
2, компатибилност процеса: Интегрисање различитих производних процеса електронике и фотона на истој подлози без смањења перформанси било које компоненте је сложен задатак.
4, Комплексна производња: Висока прецизност потребна за електронске и фотонске структуре повећава сложеност и трошкове производње.

Интеграција више чипова
Овај приступ омогућава већу флексибилност у избору 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). Сада ћемо навести начине везивања између оптоелектронских чипова. Директно везивање: Ова техника укључује директан физички контакт и везивање две равне површине, обично олакшано молекуларним силама везивања, топлотом и притиском. Има предност једноставности и потенцијално веза са веома малим губицима, али захтева прецизно поравнате и чисте површине. Спајање влакана/решетке: У овој шеми, влакно или низ влакана је поравнат и везан за ивицу или површину фотонског чипа, омогућавајући да се светлост спаја у и из чипа. Решетка се такође може користити за вертикално спајање, побољшавајући ефикасност преноса светлости између фотонског чипа и спољашњег влакна. Рупе кроз силицијум (TSV) и микро-избочине: Рупе кроз силицијум су вертикалне међусобне везе кроз силицијумску подлогу, омогућавајући слагање чипова у три димензије. У комбинацији са микроконвексним тачкама, оне помажу у постизању електричних веза између електронских и фотонских чипова у наслаганим конфигурацијама, погодним за интеграцију високе густине. Оптички посреднички слој: Оптички посреднички слој је посебна подлога која садржи оптичке таласоводе који служе као посредник за усмеравање оптичких сигнала између чипова. Омогућава прецизно поравнање и додатну пасивну...оптичке компонентеможе се интегрисати ради повећане флексибилности повезивања. Хибридно спајање: Ова напредна технологија спајања комбинује директно спајање и микро-бамп технологију како би се постигле електричне везе високе густине између чипова и висококвалитетних оптичких интерфејса. Посебно је обећавајућа за високоперформансну оптоелектронску коинтеграцију. Лемљење бамп спајања: Слично као и флип чип спајање, лемљење бамп спајања се користи за стварање електричних веза. Међутим, у контексту оптоелектронске интеграције, посебна пажња мора се посветити избегавању оштећења фотонских компоненти изазваних термичким напрезањем и одржавању оптичког поравнања.

Слика 1: : Шема везивања електрона/фотона између чипова

Предности ових приступа су значајне: Како свет CMOS технологија наставља да прати побољшања Муровог закона, биће могуће брзо прилагодити сваку генерацију CMOS или Bi-CMOS технологија на јефтин силицијумски фотонски чип, користећи предности најбољих процеса у фотоници и електроници. Пошто фотоника генерално не захтева израду веома малих структура (типична је величина кључева од око 100 нанометара) и уређаји су велики у поређењу са транзисторима, економска разматрања ће тежити да се фотонски уређаји производе у посебном процесу, одвојено од било које напредне електронике потребне за коначни 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 лакшу замену или надоградњу појединачних компоненти без утицаја на цео систем.
Изазов:
1, губитак међусобне везе: Веза ван чипа уводи додатни губитак 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 вишим трошковима.
3, већа потрошња енергије: Дуже путање сигнала и додатно паковање могу повећати захтеве за напајањем у поређењу са монолитном интеграцијом.
Закључак:
Избор између монолитне и вишечиповске интеграције зависи од специфичних захтева апликације, укључујући циљеве перформанси, ограничења величине, трошковне аспекте и зрелост технологије. Упркос сложености производње, монолитна интеграција је предност за апликације које захтевају екстремну минијатуризацију, ниску потрошњу енергије и брзи пренос података. Уместо тога, вишечиповска интеграција нуди већу флексибилност дизајна и користи постојеће производне могућности, што је чини погодном 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, а истовремено ублажили изазови повезани са сваким приступом.