Метод на оптоелектронска интеграција

Оптоелектронскиметод на интеграција

Интеграцијата нафотоникаи електрониката е клучен чекор во подобрувањето на можностите на системите за обработка на информации, овозможувајќи побрзи стапки на пренос на податоци, помала потрошувачка на енергија и покомпактни дизајни на уреди, како и отворање огромни нови можности за дизајн на системи. Методите на интеграција генерално се поделени во две категории: монолитна интеграција и интеграција со повеќе чипови.

Монолитна интеграција
Монолитната интеграција вклучува производство на фотонски и електронски компоненти на иста подлога, обично со користење на компатибилни материјали и процеси. Овој пристап се фокусира на создавање беспрекорен интерфејс помеѓу светлината и електричната енергија во рамките на еден чип.
Предности:
1. Намалување на загубите во меѓусебното поврзување: Поставувањето на фотони и електронски компоненти во непосредна близина ги минимизира загубите на сигналот поврзани со конекции надвор од чипот.
2, Подобрени перформанси: Построгата интеграција може да доведе до побрзи брзини на пренос на податоци поради пократки патеки на сигналот и намалена латентност.
3, Помала големина: Монолитната интеграција овозможува високо компактни уреди, што е особено корисно за апликации со ограничен простор, како што се центри за податоци или преносни уреди.
4, намалување на потрошувачката на енергија: елиминирање на потребата од посебни пакети и меѓусебни врски на долги растојанија, што може значително да ги намали барањата за енергија.
Предизвик:
1) Компатибилност на материјалите: Пронаоѓањето материјали што поддржуваат и висококвалитетни електрони и фотонски функции може да биде предизвик бидејќи тие честопати бараат различни својства.
2, компатибилност на процесите: Интегрирањето на различните производствени процеси на електрони и фотони на иста подлога без да се намалат перформансите на која било компонента е сложена задача.
4, Комплексно производство: Високата прецизност потребна за електронски и фотонски структури ја зголемува сложеноста и трошоците за производство.

Интеграција со повеќе чипови
Овој пристап овозможува поголема флексибилност при изборот на материјали и процеси за секоја функција. Во оваа интеграција, електронските и фотонските компоненти доаѓаат од различни процеси, а потоа се склопуваат заедно и се поставуваат на заедничко пакување или подлога (Слика 1). Сега да ги наведеме начините на поврзување помеѓу оптоелектронските чипови. Директно поврзување: Оваа техника вклучува директен физички контакт и поврзување на две рамни површини, обично олеснето од молекуларни сили на поврзување, топлина и притисок. Има предност на едноставност и потенцијално многу ниски врски со загуби, но бара прецизно порамнети и чисти површини. Спојување со влакна/решетка: Во оваа шема, влакната или низата влакна се порамнети и поврзани со работ или површината на фотонскиот чип, дозволувајќи светлината да се спои во и надвор од чипот. Решетката може да се користи и за вертикално поврзување, подобрувајќи ја ефикасноста на преносот на светлината помеѓу фотонскиот чип и надворешното влакно. Дупки низ силициум (TSV) и микро-испакнатини: Дупките низ силициум се вертикални меѓусебни врски преку силициумска подлога, дозволувајќи чиповите да се наредат во три димензии. Во комбинација со микро-конвексни точки, тие помагаат да се постигнат електрични врски помеѓу електронските и фотонските чипови во наредени конфигурации, погодни за интеграција со висока густина. Оптички посреднички слој: Оптичкиот посреднички слој е посебен супстрат што содржи оптички брановоди кои служат како посредник за насочување на оптичките сигнали помеѓу чиповите. Овозможува прецизно усогласување и дополнително пасивнооптички компонентиможе да се интегрира за зголемена флексибилност на поврзувањето. Хибридно поврзување: Оваа напредна технологија на поврзување комбинира директно поврзување и технологија на микро-испакнатини за да се постигнат електрични врски со висока густина помеѓу чиповите и висококвалитетните оптички интерфејси. Особено е ветувачка за високо-перформансна оптоелектронска коинтеграција. Лемење со испакнатини: Слично на поврзувањето со превртувачки чип, лемењето со испакнатини се користи за создавање електрични врски. Сепак, во контекст на оптоелектронската интеграција, посебно внимание мора да се посвети на избегнување на оштетување на фотонските компоненти предизвикано од термички стрес и одржување на оптичкото усогласување.

Слика 1: : Шема на поврзување електрон/фотон чип-до-чип

Придобивките од овие пристапи се значајни: Како што светот на CMOS продолжува да ги следи подобрувањата во Муровиот закон, ќе биде можно брзо да се адаптираат сите генерации на CMOS или Bi-CMOS на евтин силиконски фотонски чип, искористувајќи ги придобивките од најдобрите процеси во фотониката и електрониката. Бидејќи фотониката генерално не бара изработка на многу мали структури (типични се големини на клучеви од околу 100 нанометри) и уредите се големи во споредба со транзисторите, економските размислувања ќе имаат тенденција да ги поттикнат фотонските уреди да се произведуваат во посебен процес, одвоени од која било напредна електроника потребна за финалниот производ.
Предности:
1, флексибилност: Различни материјали и процеси можат да се користат независно за да се постигнат најдобри перформанси на електронските и фотонските компоненти.
2, зрелост на процесот: употребата на зрели производствени процеси за секоја компонента може да го поедностави производството и да ги намали трошоците.
3, Полесно надградување и одржување: Одвојувањето на компонентите овозможува поединечните компоненти полесно да се заменат или надградат без да влијаат на целиот систем.
Предизвик:
1, загуба на меѓусебно поврзување: Врската надвор од чипот воведува дополнителна загуба на сигнал и може да бара сложени процедури за усогласување.
2, зголемена комплексност и големина: Поединечните компоненти бараат дополнително пакување и меѓусебни врски, што резултира со поголеми големини и потенцијално повисоки трошоци.
3, поголема потрошувачка на енергија: Подолгите патеки на сигналот и дополнителното пакување може да ги зголемат барањата за енергија во споредба со монолитната интеграција.
Заклучок:
Изборот помеѓу монолитна и повеќечип интеграција зависи од специфичните барања на апликацијата, вклучувајќи ги целите за перформанси, ограничувањата на големината, трошоците и технолошката зрелост. И покрај комплексноста на производството, монолитната интеграција е предност за апликации кои бараат екстремна минијатуризација, ниска потрошувачка на енергија и брз пренос на податоци. Наместо тоа, повеќечип интеграцијата нуди поголема флексибилност во дизајнот и ги користи постојните производствени капацитети, што ја прави погодна за апликации каде што овие фактори ги надминуваат придобивките од построгата интеграција. Како што напредува истражувањето, се истражуваат и хибридни пристапи кои комбинираат елементи од обете стратегии за оптимизирање на перформансите на системот, а воедно и ублажување на предизвиците поврзани со секој пристап.