Optoelektroniskintegrationsmetode
Integrationen affotonikog elektronik er et vigtigt skridt i at forbedre informationsbehandlingssystemer, hvilket muliggør hurtigere dataoverførselshastigheder, lavere strømforbrug og mere kompakte enhedsdesigns 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 problemfri grænseflade mellem lys og elektricitet i en enkelt chip.
Fordele:
1. Reducer tab ved sammenkobling: Placering af fotoner og elektroniske komponenter i umiddelbar nærhed minimerer signaltab forbundet med off-chip-forbindelser.
2, Forbedret ydeevne: Tættere integration kan føre til hurtigere dataoverførselshastigheder på grund af kortere signalveje og reduceret latenstid.
3, Mindre størrelse: Monolitisk integration muliggør meget kompakte enheder, hvilket er særligt fordelagtigt til applikationer med begrænset plads, såsom datacentre eller håndholdte enheder.
4, reducer strømforbruget: eliminer behovet for separate pakker og langdistanceforbindelser, hvilket kan reducere strømforbruget betydeligt.
Udfordring:
1) Materialekompatibilitet: Det kan være udfordrende at finde materialer, der understøtter både elektroner af høj kvalitet og fotoniske funktioner, fordi de ofte kræver forskellige egenskaber.
2, proceskompatibilitet: Det er en kompleks opgave at integrere de forskellige fremstillingsprocesser for 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 fotoniske strukturer, øger kompleksiteten og omkostningerne ved fremstillingen.
Multi-chip-integration
Denne tilgang giver større fleksibilitet i valget af materialer og processer til 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 et fælles substrat (figur 1). Lad os nu liste bindingsmetoderne mellem optoelektroniske chips. Direkte binding: Denne teknik involverer direkte fysisk kontakt og binding af to plane overflader, normalt muliggjort af molekylære bindingskræfter, varme og tryk. Den har fordelen af enkelhed og potentielt meget lave tabsforbindelser, men kræver præcist justerede og rene overflader. Fiber/gitter-kobling: I denne ordning justeres og bundet fiberen eller fiberarrayet til kanten eller overfladen af den fotoniske chip, hvilket gør det muligt at koble lys ind og ud af chippen. Gitteret kan også bruges til vertikal kobling, hvilket forbedrer effektiviteten af lystransmissionen mellem den fotoniske chip og den eksterne fiber. Gennemgående siliciumhuller (TSV'er) og mikrobump: Gennemgående siliciumhuller er vertikale 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, der er egnede til integration med høj tæthed. Optisk mellemlag: Det optiske mellemlag er et separat substrat, der indeholder optiske bølgeledere, der fungerer som mellemlag til at dirigere optiske signaler mellem chips. Det muliggør præcis justering og yderligere passiv justering.optiske komponenterkan integreres for øget forbindelsesfleksibilitet. Hybridbinding: 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. Den er særligt lovende til højtydende optoelektronisk kointegration. Loddebumpbinding: I lighed med flip-chip-binding bruges loddebump til at skabe elektriske forbindelser. I forbindelse med optoelektronisk integration skal der dog lægges særlig vægt på at undgå skader på fotoniske komponenter forårsaget af termisk stress og opretholde optisk justering.
Figur 1: Elektron/foton chip-til-chip-bindingsskema
Fordelene ved disse tilgange er betydelige: Efterhånden som CMOS-verdenen fortsætter med at følge forbedringerne i Moores lov, vil det være muligt hurtigt at tilpasse hver generation af CMOS eller Bi-CMOS til en billig siliciumfotonisk chip og dermed høste fordelene ved de bedste processer inden for fotonik og elektronik. Fordi fotonik generelt ikke kræver fremstilling af meget små strukturer (nøglestørrelser på omkring 100 nanometer er typiske), og enheder er store sammenlignet med transistorer, vil økonomiske overvejelser have en tendens til at presse 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 anvendes uafhængigt af hinanden 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 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 signalveje og yderligere pakning kan øge strømbehovet sammenlignet med monolitisk integration.
Konklusion:
Valget mellem monolitisk og multi-chip integration afhænger af applikationsspecifikke krav, herunder ydeevnemål, størrelsesbegrænsninger, omkostningsovervejelser og teknologisk modenhed. Trods produktionskompleksitet er monolitisk integration fordelagtig til applikationer, der kræver ekstrem miniaturisering, lavt strømforbrug og højhastigheds datatransmission. I stedet tilbyder multi-chip integration større designfleksibilitet og udnytter eksisterende produktionskapaciteter, hvilket gør den velegnet til applikationer, hvor disse faktorer opvejer fordelene ved en tættere integration. Efterhånden som forskningen skrider frem, udforskes hybride tilgange, der kombinerer elementer fra begge strategier, også for at optimere systemets ydeevne, samtidig med at de udfordringer, der er forbundet med hver tilgang, afbødes.
Opslagstidspunkt: 8. juli 2024