Optoelektroničkimetoda integracije
Integracijafotonikai elektronike ključni je korak u poboljšanju mogućnosti sustava za obradu informacija, omogućavajući 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 s 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 svjetla i električne energije unutar jednog čipa.
Prednosti:
1. Smanjite gubitke u međusobnom povezivanju: Postavljanje fotona i elektroničkih komponenti u neposrednoj blizini smanjuje gubitke signala povezane s vezama izvan čipa.
2, Poboljšana izvedba: čvršća integracija može dovesti do većih brzina prijenosa podataka zbog kraćih putanja signala i smanjene latencije.
3, Manja veličina: Monolitna integracija omogućuje vrlo kompaktne uređaje, što je posebno korisno za prostorno ograničene aplikacije, kao što su podatkovni centri ili ručni uređaji.
4, smanjite potrošnju energije: eliminirajte potrebu za zasebnim paketima i interkonekcijama na velike udaljenosti, što može značajno smanjiti zahtjeve za napajanjem.
Izazov:
1) Kompatibilnost materijala: Pronalaženje materijala koji podržavaju visokokvalitetne elektrone i fotonske funkcije može biti izazov jer često zahtijevaju različita svojstva.
2, kompatibilnost procesa: Integracija različitih proizvodnih procesa elektronike i fotona na istom supstratu bez pogoršanja performansi bilo koje komponente je složen zadatak.
4, Složena proizvodnja: Visoka preciznost potrebna za elektroničke i fotononske strukture povećava složenost i troškove proizvodnje.
Integracija s 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 zajedno sastavljaju i stavljaju na zajedničko pakiranje ili podlogu (Slika 1). Sada nabrojimo načine povezivanja između optoelektroničkih čipova. Izravno spajanje: Ova tehnika uključuje izravan fizički kontakt i spajanje dviju ravnih površina, obično olakšano molekularnim silama vezivanja, toplinom i pritiskom. Njegova prednost je jednostavnost i potencijalno vrlo niski gubici veza, ali zahtijeva precizno poravnate i čiste površine. Spajanje vlakna/rešetke: U ovoj shemi, vlakno ili niz vlakana je poravnato i spojeno na rub ili površinu fotonskog čipa, dopuštajući svjetlosti da ulazi u čip i izlazi iz njega. Rešetka se također može koristiti za okomito spajanje, poboljšavajući učinkovitost prijenosa svjetlosti između fotonskog čipa i vanjskog vlakna. Prolazne silikonske rupe (TSV) i mikro-izbočine: Prolazne silikonske rupe su vertikalne međusobne veze kroz silicijsku podlogu, omogućujući slaganje čipova u tri dimenzije. U kombinaciji s mikrokonveksnim točkama, oni pomažu u postizanju električnih veza između elektroničkih i fotonskih čipova u naslaganim konfiguracijama, prikladnim za integraciju visoke gustoće. Optički međusloj: optički međusloj je zaseban supstrat koji sadrži optičke valovode koji služe kao posrednik za usmjeravanje optičkih signala između čipova. Omogućuje precizno poravnanje i dodatno pasivnooptičke komponentemože se integrirati za veću fleksibilnost povezivanja. Hibridno spajanje: Ova napredna tehnologija spajanja kombinira izravno spajanje i mikro-bump tehnologiju za postizanje električnih veza visoke gustoće između čipova i visokokvalitetnih optičkih sučelja. Osobito je obećavajuće za optoelektroničku kointegraciju visokih performansi. Lemljenje izbočina: Slično spajanju s preokrenutim čipom, izbočine za lemljenje koriste se za stvaranje električnih veza. Međutim, u kontekstu optoelektroničke integracije, posebna se pozornost mora posvetiti izbjegavanju oštećenja fotonskih komponenti uzrokovanih toplinskim stresom i održavanju optičkog poravnanja.
Slika 1: Shema vezivanja elektron/foton čip-čip
Prednosti ovih pristupa su značajne: Kako svijet CMOS-a nastavlja pratiti poboljšanja u Mooreovom zakonu, bit će moguće brzo prilagoditi svaku generaciju CMOS-a ili Bi-CMOS-a na jeftini silicijski fotonski čip, ubirući prednosti najboljih procesa u fotonike i elektronike. 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 će razmatranja težiti tome da se fotonski uređaji proizvode u zasebnom procesu, odvojenom od bilo kojeg naprednog elektronika potrebna za konačni proizvod.
Prednosti:
1, fleksibilnost: različiti materijali i procesi mogu se koristiti neovisno kako bi se postigla najbolja izvedba 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 interkonekcije: veza izvan čipa uvodi dodatni gubitak signala i može zahtijevati složene postupke usklađivanja.
2, povećana složenost i veličina: Pojedinačne komponente zahtijevaju dodatno pakiranje i međusobno povezivanje, što rezultira većim veličinama i potencijalno većim troškovima.
3, veća potrošnja energije: Duži putovi signala i dodatno pakiranje mogu povećati zahtjeve za napajanjem u usporedbi s monolitnom integracijom.
Zaključak:
Odabir između monolitne integracije i integracije s više čipova ovisi o zahtjevima specifičnim za aplikaciju, uključujući ciljeve izvedbe, ograničenja veličine, razmatranja troškova i zrelost tehnologije. Unatoč složenosti proizvodnje, monolitna integracija je korisna za aplikacije koje zahtijevaju ekstremnu minijaturizaciju, nisku potrošnju energije i prijenos podataka velikom brzinom. Umjesto toga, integracija s više čipova nudi veću fleksibilnost dizajna i iskorištava postojeće proizvodne mogućnosti, što ga čini prikladnim za aplikacije u kojima ti čimbenici nadmašuju prednosti čvršće integracije. Kako istraživanje napreduje, hibridni pristupi koji kombiniraju elemente obiju strategija također se istražuju kako bi se optimizirala izvedba sustava uz istovremeno ublažavanje izazova povezanih sa svakim pristupom.
Vrijeme objave: 8. srpnja 2024