Optoelektroničkimetoda integracije
Integracijafotonikai elektronika ključni je korak u poboljšanju mogućnosti sustava za obradu informacija, omogućujući brže brzine prijenosa podataka, nižu potrošnju energije i kompaktnije dizajne uređaja te otvarajući ogromne nove mogućnosti za dizajn sustava. Metode integracije općenito se dijele u dvije kategorije: monolitna integracija i integracija više čipova.
Monolitna integracija
Monolitna integracija uključuje proizvodnju fotonskih i elektroničkih komponenti na istoj podlozi, obično korištenjem kompatibilnih materijala i procesa. Ovaj pristup usmjeren je na stvaranje besprijekornog sučelja između svjetlosti i električne energije unutar jednog čipa.
Prednosti:
1. Smanjenje gubitaka međusobnih veza: Postavljanje fotona i elektroničkih komponenti u neposrednoj blizini minimizira gubitke signala povezane s vezama izvan čipa.
2, Poboljšane performanse: Čvršća integracija može dovesti do većih brzina prijenosa podataka zbog kraćih signalnih putova i smanjene latencije.
3, Manja veličina: Monolitna integracija omogućuje vrlo kompaktne uređaje, što je posebno korisno za primjene s ograničenim prostorom, poput podatkovnih centara ili ručnih uređaja.
4, smanjite potrošnju energije: eliminirajte potrebu za odvojenim paketima i međusobnim vezama na velike udaljenosti, što može značajno smanjiti potrebe za energijom.
Izazov:
1) Kompatibilnost materijala: Pronalaženje materijala koji podržavaju i visokokvalitetne elektrone i fotonske funkcije može biti izazovno jer često zahtijevaju različita svojstva.
2, kompatibilnost procesa: Integriranje različitih proizvodnih procesa elektronike i fotona na istoj podlozi bez smanjenja performansi bilo koje komponente složen je zadatak.
4, Složena proizvodnja: Visoka preciznost potrebna za elektroničke i fotonske strukture povećava složenost i troškove proizvodnje.
Integracija više čipova
Ovaj pristup omogućuje veću fleksibilnost u odabiru materijala i procesa za svaku funkciju. U ovoj integraciji, elektroničke i fotonske komponente dolaze iz različitih procesa, a zatim se sastavljaju zajedno i postavljaju na zajedničko pakiranje ili podlogu (Slika 1). Sada navedimo načine povezivanja između optoelektroničkih čipova. Izravno povezivanje: Ova tehnika uključuje izravan fizički kontakt i povezivanje dviju ravnih površina, što je obično olakšano molekularnim silama povezivanja, toplinom i tlakom. Ima prednost jednostavnosti i potencijalno vrlo niskih gubitaka, ali zahtijeva precizno poravnate i čiste površine. Spajanje vlakana/rešetke: U ovoj shemi, vlakno ili niz vlakana je poravnat i spojen na rub ili površinu fotonskog čipa, omogućujući spajanje svjetlosti u i iz čipa. Rešetka se također može koristiti za vertikalno spajanje, poboljšavajući učinkovitost prijenosa svjetlosti između fotonskog čipa i vanjskog vlakna. Prolazne silicijske rupe (TSV) i mikro-izbočine: Prolazne silicijske rupe su vertikalne međusobne veze kroz silicijsku podlogu, što omogućuje slaganje čipova u tri dimenzije. U kombinaciji s mikrokonveksnim točkama, pomažu u postizanju električnih veza između elektroničkih i fotonskih čipova u složenim konfiguracijama, pogodnim za integraciju visoke gustoće. Optički posrednički sloj: Optički posrednički sloj je zasebna podloga koja sadrži optičke valovode koji služe kao posrednik za usmjeravanje optičkih signala između čipova. Omogućuje precizno poravnanje i dodatnu pasivnu...optičke komponentemože se integrirati za povećanu fleksibilnost povezivanja. Hibridno spajanje: Ova napredna tehnologija spajanja kombinira izravno spajanje i tehnologiju mikro-izbočina kako bi se postigle električne veze visoke gustoće između čipova i visokokvalitetnih optičkih sučelja. Posebno je obećavajuća za visokoučinkovitu optoelektroničku kointegraciju. Lemljenje izbočina: Slično spajanju s preklopnim čipom, lemljene izbočine se koriste za stvaranje električnih veza. Međutim, u kontekstu optoelektroničke integracije, posebna se pozornost mora posvetiti izbjegavanju oštećenja fotonskih komponenti uzrokovanih toplinskim naprezanjem i održavanju optičkog poravnanja.
Slika 1: : Shema vezanja elektrona/fotona među čipovima
Prednosti ovih pristupa su značajne: Kako svijet CMOS-a nastavlja pratiti poboljšanja Mooreovog zakona, bit će moguće brzo prilagoditi svaku generaciju CMOS-a ili Bi-CMOS-a na jeftini silicijski fotonski čip, iskorištavajući prednosti najboljih procesa u fotonici i elektronici. Budući da fotonika općenito ne zahtijeva izradu vrlo malih struktura (tipične su veličine ključeva od oko 100 nanometara), a uređaji su veliki u usporedbi s tranzistorima, ekonomska razmatranja će težiti tome da se fotonski uređaji proizvode u zasebnom procesu, odvojenom od bilo kakve napredne elektronike potrebne za konačni proizvod.
Prednosti:
1, fleksibilnost: Različiti materijali i procesi mogu se koristiti neovisno kako bi se postigle najbolje performanse elektroničkih i fotonskih komponenti.
2, zrelost procesa: korištenje zrelih proizvodnih procesa za svaku komponentu može pojednostaviti proizvodnju i smanjiti troškove.
3, Lakša nadogradnja i održavanje: Odvajanje komponenti omogućuje lakšu zamjenu ili nadogradnju pojedinačnih komponenti bez utjecaja na cijeli sustav.
Izazov:
1, gubitak međusobne veze: Veza izvan čipa uvodi dodatni gubitak signala i može zahtijevati složene postupke poravnanja.
2, povećana složenost i veličina: Pojedinačne komponente zahtijevaju dodatno pakiranje i međusobne veze, što rezultira većim veličinama i potencijalno višim troškovima.
3, veća potrošnja energije: Dulji signalni putevi i dodatno pakiranje mogu povećati zahtjeve za napajanjem u usporedbi s monolitnom integracijom.
Zaključak:
Izbor između monolitne i višečipne integracije ovisi o specifičnim zahtjevima primjene, uključujući ciljeve performansi, ograničenja veličine, troškove i zrelost tehnologije. Unatoč složenosti proizvodnje, monolitna integracija je prednost za primjene koje zahtijevaju ekstremnu miniaturizaciju, nisku potrošnju energije i brzi prijenos podataka. Umjesto toga, višečipna integracija nudi veću fleksibilnost dizajna i koristi postojeće proizvodne mogućnosti, što je čini prikladnom za primjene gdje ti čimbenici nadmašuju prednosti čvršće integracije. Kako istraživanje napreduje, istražuju se i hibridni pristupi koji kombiniraju elemente obje strategije kako bi se optimizirale performanse sustava, a istovremeno ublažili izazovi povezani sa svakim pristupom.
Vrijeme objave: 08.07.2024.