Optoelektronisk integrationsmetode

Optoelektroniskintegrationsmetode

Integrationen affotonikog elektronik er et vigtigt skridt i at forbedre mulighederne for informationsbehandlingssystemer, hvilket muliggør hurtigere dataoverførselshastigheder, lavere strømforbrug og mere kompakt enhedsdesign og åbner op for enorme nye muligheder for systemdesign. Integrationsmetoder er generelt opdelt i to kategorier: monolitisk integration og multi-chip integration.

Monolitisk integration
Monolitisk integration involverer fremstilling af fotoniske og elektroniske komponenter på det samme substrat, normalt ved hjælp af kompatible materialer og processer. Denne tilgang fokuserer på at skabe en sømløs grænseflade mellem lys og elektricitet inden for en enkelt chip.
Fordele:
1. Reducer sammenkoblingstab: Ved at placere fotoner og elektroniske komponenter tæt på hinanden minimeres signaltab forbundet med off-chip forbindelser.
2, Forbedret ydeevne: Strammere integration kan føre til hurtigere dataoverførselshastigheder på grund af kortere signalveje og reduceret latenstid.
3, Mindre størrelse: Monolitisk integration giver mulighed for meget kompakte enheder, hvilket er særligt fordelagtigt til pladsbegrænsede applikationer, såsom datacentre eller håndholdte enheder.
4, reducer strømforbruget: eliminer behovet for separate pakker og langdistanceforbindelser, hvilket kan reducere strømbehovet betydeligt.
Udfordring:
1) Materialekompatibilitet: At finde materialer, der understøtter både højkvalitets elektroner og fotoniske funktioner, kan være udfordrende, fordi de ofte kræver forskellige egenskaber.
2, proceskompatibilitet: Det er en kompleks opgave at integrere de forskellige fremstillingsprocesser af elektronik og fotoner på det samme substrat uden at forringe ydeevnen af ​​en enkelt komponent.
4, Kompleks fremstilling: Den høje præcision, der kræves til elektroniske og fotononiske strukturer, øger kompleksiteten og omkostningerne ved fremstillingen.

Multi-chip integration
Denne tilgang giver mulighed for større fleksibilitet i valg af materialer og processer til hver funktion. I denne integration kommer de elektroniske og fotoniske komponenter fra forskellige processer og samles derefter og placeres på en fælles pakke eller substrat (figur 1). Lad os nu liste bindingstilstandene mellem optoelektroniske chips. Direkte binding: Denne teknik involverer direkte fysisk kontakt og binding af to plane overflader, normalt lettet af molekylære bindingskræfter, varme og tryk. Det har fordelen ved enkelhed og potentielt meget lave tabsforbindelser, men kræver præcist afstemte og rene overflader. Fiber/rist-kobling: I dette skema er fiber- eller fiberarrayet justeret og bundet til kanten eller overfladen af ​​den fotoniske chip, hvilket tillader lys at blive koblet ind og ud af chippen. Gitteret kan også bruges til vertikal kobling, hvilket forbedrer effektiviteten af ​​transmissionen af ​​lys mellem den fotoniske chip og den eksterne fiber. Gennemgående siliciumhuller (TSV'er) og mikrobump: Gennemgående siliciumhuller er lodrette forbindelser gennem et siliciumsubstrat, hvilket gør det muligt at stable chipsene i tre dimensioner. Kombineret med mikrokonvekse punkter hjælper de med at opnå elektriske forbindelser mellem elektroniske og fotoniske chips i stablede konfigurationer, velegnet til integration med høj tæthed. Optisk mellemlag: Det optiske mellemlag er et separat substrat, der indeholder optiske bølgeledere, der tjener som mellemled til at dirigere optiske signaler mellem chips. Det giver mulighed for præcis justering og yderligere passivoptiske komponenterkan integreres for øget tilslutningsfleksibilitet. Hybrid binding: Denne avancerede bindingsteknologi kombinerer direkte binding og mikrobump-teknologi for at opnå elektriske forbindelser med høj tæthed mellem chips og optiske grænseflader af høj kvalitet. Det er særligt lovende for højtydende optoelektronisk co-integration. Lodde bump bonding: I lighed med flip chip bonding bruges lodde bump til at skabe elektriske forbindelser. Men i forbindelse med optoelektronisk integration skal der lægges særlig vægt på at undgå beskadigelse af fotoniske komponenter forårsaget af termisk stress og opretholde optisk justering.

Figur 1: : Elektron/foton chip-til-chip bindingsskema

Fordelene ved disse tilgange er betydelige: Da CMOS-verdenen fortsætter med at følge forbedringer i Moores lov, vil det være muligt hurtigt at tilpasse hver generation af CMOS eller Bi-CMOS til en billig fotonisk siliciumchip, hvilket høster fordelene af de bedste processer i fotonik og elektronik. Fordi fotonik generelt ikke kræver fremstilling af meget små strukturer (nøglestørrelser på ca. 100 nanometer er typiske), og enheder er store sammenlignet med transistorer, vil økonomiske overvejelser have en tendens til at skubbe fotoniske enheder til at blive fremstillet i en separat proces, adskilt fra enhver avanceret elektronik, der kræves til det endelige produkt.
Fordele:
1, fleksibilitet: Forskellige materialer og processer kan bruges uafhængigt for at opnå den bedste ydeevne af elektroniske og fotoniske komponenter.
2, procesmodenhed: brugen af ​​modne fremstillingsprocesser for hver komponent kan forenkle produktionen og reducere omkostningerne.
3, Nemmere opgradering og vedligeholdelse: Adskillelsen af ​​komponenter gør det lettere at udskifte eller opgradere individuelle komponenter uden at påvirke hele systemet.
Udfordring:
1, sammenkoblingstab: Off-chip-forbindelsen introducerer yderligere signaltab og kan kræve komplekse tilpasningsprocedurer.
2, øget kompleksitet og størrelse: Individuelle komponenter kræver yderligere emballage og sammenkoblinger, hvilket resulterer i større størrelser og potentielt højere omkostninger.
3, højere strømforbrug: Længere signalveje og yderligere emballage kan øge strømkravet sammenlignet med monolitisk integration.
Konklusion:
Valget mellem monolitisk og multi-chip integration afhænger af applikationsspecifikke krav, herunder ydeevnemål, størrelsesbegrænsninger, omkostningsovervejelser og teknologiens modenhed. På trods af kompleksitet i fremstillingen er monolitisk integration fordelagtig til applikationer, der kræver ekstrem miniaturisering, lavt strømforbrug og højhastighedsdatatransmission. I stedet tilbyder multi-chip integration større designfleksibilitet og udnytter eksisterende produktionskapaciteter, hvilket gør den velegnet til applikationer, hvor disse faktorer opvejer fordelene ved tættere integration. Efterhånden som forskningen skrider frem, undersøges hybride tilgange, der kombinerer elementer fra begge strategier, også for at optimere systemets ydeevne og samtidig afbøde udfordringerne forbundet med hver tilgang.