Optoelektronisk integrationsmetode

OptoelectronicIntegrationsmetode

Integrationen affotonikOg elektronik er et vigtigt trin i forbedring af kapaciteterne i informationsbehandlingssystemer, der muliggør hurtigere dataoverførselshastigheder, lavere strømforbrug og mere kompakte enhedsdesign og åbner 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 underlag, normalt ved hjælp af kompatible materialer og processer. Denne tilgang fokuserer på at skabe en problemfri grænseflade mellem lys og elektricitet inden for en enkelt chip.
Fordele:
1. Reducer sammenkoblingstab: Placering af fotoner og elektroniske komponenter i nærheden minimerer signaltab forbundet med off-chip-forbindelser.
2, forbedret ydelse: 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 især fordelagtigt for rumbegrænsede applikationer, såsom datacentre eller håndholdte enheder.
4, reducer strømforbruget: Fjern behovet for separate pakker og langdistanceforbindelser, hvilket kan reducere strømbehovet markant.
Udfordring:
1) Materialekompatibilitet: At finde materialer, der understøtter både elektroner af høj kvalitet og fotoniske funktioner, kan være udfordrende, fordi de ofte kræver forskellige egenskaber.
2, Proceskompatibilitet: Integrering af de forskellige fremstillingsprocesser inden for elektronik og fotoner på det samme underlag uden at forringe ydelsen af ​​en komponent er en kompleks opgave.
4, kompleks fremstilling: Den høje præcision, der kræves til elektroniske og fotononiske strukturer, øger kompleksiteten og omkostningerne ved fremstilling.

Integration af flere chip
Denne tilgang giver mulighed for større fleksibilitet i valg af materialer og processer for hver funktion. I denne integration kommer de elektroniske og fotoniske komponenter fra forskellige processer og samles derefter sammen og placeres på en fælles pakke eller substrat (figur 1). Lad os nu angive limningstilstande mellem optoelektroniske chips. Direkte binding: Denne teknik involverer direkte fysisk kontakt og binding af to plane overflader, som normalt lettes af molekylære bindingskræfter, varme og tryk. Det har fordelen ved enkelhed og potentielt meget lave tabsforbindelser, men kræver nøjagtigt justerede og rene overflader. Fiber/gitterkobling: I dette skema er fiber- eller fiberarrayet justeret og bundet til kanten eller overfladen af ​​den fotoniske chip, hvilket gør det muligt for lys at blive koblet ind og ud af chippen. Gitteret kan også bruges til lodret kobling, hvilket forbedrer effektiviteten af ​​transmission af lys mellem den fotoniske chip og den eksterne fiber. Gennem siliciumhuller (TSV'er) og mikrobumps: Gennem siliciumhuller er lodrette sammenkoblinger gennem et siliciumsubstrat, hvilket gør det muligt for chips at blive stablet i tre dimensioner. Kombineret med mikro-konvekse punkter hjælper de med at opnå elektriske forbindelser mellem elektroniske og fotoniske chips i stablede konfigurationer, der er egnede til integration med høj densitet. Optisk mellemliggende lag: Det optiske formidlende lag er et separat underlag, der indeholder optiske bølgeledere, der tjener som formidler til routing af optiske signaler mellem chips. Det giver mulighed for præcis tilpasning og yderligere passivOptiske komponenterKan integreres for øget forbindelsesfleksibilitet. Hybridbinding: Denne avancerede bindingsteknologi kombinerer direkte binding og mikrobump-teknologi for at opnå elektriske forbindelser med høj densitet mellem chips og optiske grænseflader af høj kvalitet. Det er især lovende for højtydende optoelektronisk co-integration. Loddebulkebinding: I lighed med flip chipbinding bruges loddemuller til at skabe elektriske forbindelser. I forbindelse med optoelektronisk integration skal der imidlertid lægges særlig vægt på at undgå skader på fotoniske komponenter forårsaget af termisk stress og opretholde optisk justering.

Figur 1 :: Electron/Photon Chip-to-Chip Binding-skema

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 siliciumfotonisk chip, hvilket høster fordelene ved de bedste processer i fotonik og elektronik. Da 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 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 til at opnå den bedste ydelse af elektroniske og fotoniske komponenter.
2, procesmodenhed: Brugen af ​​modne fremstillingsprocesser for hver komponent kan forenkle produktionen og reducere omkostningerne.
3, lettere opgradering og vedligeholdelse: Adskillelsen af ​​komponenter gør det muligt at udskifte individuelle komponenter eller opgraderes lettere uden at påvirke hele systemet.
Udfordring:
1, sammenkoblingstab: Off-chip-forbindelsen introducerer yderligere signaltab og kan kræve komplekse justeringsprocedurer.
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 signalstier og yderligere emballage kan øge effektkrav sammenlignet med monolitisk integration.
Konklusion:
At vælge mellem monolitiske og multi-chip-integration afhænger af applikationsspecifikke krav, herunder præstationsmål, størrelsesbegrænsninger, omkostningsovervejelser og teknologimodning. På trods af fremstilling af kompleksitet er monolitisk integration fordelagtig til applikationer, der kræver ekstrem miniaturisering, lavt strømforbrug og højhastighedsdatatransmission. I stedet tilbyder multi-chip-integration større designfleksibilitet og bruger eksisterende produktionsfunktioner, hvilket gør den velegnet til applikationer, hvor disse faktorer opvejer fordelene ved strammere integration. Efterhånden som forskningen skrider frem, undersøges hybrid -tilgange, der kombinerer elementer i begge strategier, også for at optimere systemets ydeevne, samtidig med at de formilder udfordringerne forbundet med hver tilgang.