Optoelektroniskintegrationsmetod
Integrationen avfotonikoch elektronik är ett viktigt steg i att förbättra kapaciteten hos informationsbehandlingssystem, vilket möjliggör snabbare dataöverföringshastigheter, lägre strömförbrukning och mer kompakta enhetsdesigner, och öppnar upp enorma nya möjligheter för systemdesign. Integrationsmetoder delas generellt in i två kategorier: monolitisk integration och multichipintegration.
Monolitisk integration
Monolitisk integration innebär att man tillverkar fotoniska och elektroniska komponenter på samma substrat, vanligtvis med kompatibla material och processer. Denna metod fokuserar på att skapa ett sömlöst gränssnitt mellan ljus och elektricitet inom ett enda chip.
Fördelar:
1. Minska sammankopplingsförluster: Att placera fotoner och elektroniska komponenter i nära anslutning minimerar signalförluster i samband med off-chip-anslutningar.
2, Förbättrad prestanda: Tätare integration kan leda till snabbare dataöverföringshastigheter tack vare kortare signalvägar och minskad latens.
3, Mindre storlek: Monolitisk integration möjliggör mycket kompakta enheter, vilket är särskilt fördelaktigt för utrymmesbegränsade applikationer, såsom datacenter eller handhållna enheter.
4, minska strömförbrukningen: eliminera behovet av separata paket och långdistansförbindelser, vilket kan minska strömförbrukningen avsevärt.
Utmaning:
1) Materialkompatibilitet: Att hitta material som stöder både högkvalitativa elektroner och fotoniska funktioner kan vara utmanande eftersom de ofta kräver olika egenskaper.
2, processkompatibilitet: Att integrera de olika tillverkningsprocesserna för elektronik och fotoner på samma substrat utan att försämra prestandan hos någon enskild komponent är en komplex uppgift.
4, Komplex tillverkning: Den höga precision som krävs för elektroniska och fotoniska strukturer ökar komplexiteten och kostnaden för tillverkningen.
Flerchipsintegration
Denna metod möjliggör större flexibilitet vid val av material och processer för varje funktion. I denna integration kommer de elektroniska och fotoniska komponenterna från olika processer och monteras sedan tillsammans och placeras på ett gemensamt paket eller substrat (Figur 1). Låt oss nu lista bindningslägena mellan optoelektroniska chip. Direktbindning: Denna teknik involverar direkt fysisk kontakt och bindning av två plana ytor, vanligtvis underlättat av molekylära bindningskrafter, värme och tryck. Den har fördelen av enkelhet och potentiellt mycket låga förluster i anslutningar, men kräver exakt justerade och rena ytor. Fiber/gitterkoppling: I detta schema är fibern eller fibermatrisen justerad och bunden till kanten eller ytan på det fotoniska chipet, vilket gör att ljus kan kopplas in och ut ur chipet. Gittret kan också användas för vertikal koppling, vilket förbättrar effektiviteten i ljusöverföringen mellan det fotoniska chipet och den externa fibern. Genomgående kiselhål (TSV) och mikrobump: Genomgående kiselhål är vertikala sammankopplingar genom ett kiselsubstrat, vilket gör att chipen kan staplas i tre dimensioner. Kombinerade med mikrokonvexa punkter hjälper de till att uppnå elektriska kopplingar mellan elektroniska och fotoniska chip i staplade konfigurationer, lämpliga för integration med hög densitet. Optiskt mellanlager: Det optiska mellanlagret är ett separat substrat som innehåller optiska vågledare som fungerar som mellanhand för att dirigera optiska signaler mellan chip. Det möjliggör exakt justering och ytterligare passiv justering.optiska komponenterkan integreras för ökad anslutningsflexibilitet. Hybridbindning: Denna avancerade bindningsteknik kombinerar direktbindning och mikrobump-teknik för att uppnå högdensitets elektriska anslutningar mellan chip och högkvalitativa optiska gränssnitt. Den är särskilt lovande för högpresterande optoelektronisk kointegration. Lödbumpbondning: I likhet med flip-chip-bonding används lödbump för att skapa elektriska anslutningar. I samband med optoelektronisk integration måste dock särskild uppmärksamhet ägnas åt att undvika skador på fotoniska komponenter orsakade av termisk stress och att bibehålla optisk inriktning.
Figur 1: Elektron/foton-chip-till-chip-bindningsschema
Fördelarna med dessa metoder är betydande: I takt med att CMOS-världen fortsätter att följa förbättringarna i Moores lag kommer det att vara möjligt att snabbt anpassa varje generation av CMOS eller Bi-CMOS till ett billigt kiselfotoniskt chip, och därmed dra nytta av de bästa processerna inom fotonik och elektronik. Eftersom fotonik i allmänhet inte kräver tillverkning av mycket små strukturer (typiska storlekar på cirka 100 nanometer) och komponenterna är stora jämfört med transistorer, tenderar ekonomiska överväganden att driva på att fotoniska komponenter tillverkas i en separat process, separerad från all avancerad elektronik som krävs för slutprodukten.
Fördelar:
1, flexibilitet: Olika material och processer kan användas oberoende av varandra för att uppnå bästa prestanda för elektroniska och fotoniska komponenter.
2, processmognad: användningen av mogna tillverkningsprocesser för varje komponent kan förenkla produktionen och minska kostnaderna.
3, Enklare uppgradering och underhåll: Separationen av komponenter gör att enskilda komponenter kan bytas ut eller uppgraderas enklare utan att hela systemet påverkas.
Utmaning:
1, sammankopplingsförlust: Off-chip-anslutningen introducerar ytterligare signalförlust och kan kräva komplexa justeringsprocedurer.
2, ökad komplexitet och storlek: Enskilda komponenter kräver ytterligare paketering och sammankopplingar, vilket resulterar i större storlekar och potentiellt högre kostnader.
3, högre strömförbrukning: Längre signalvägar och ytterligare kapsling kan öka strömbehovet jämfört med monolitisk integration.
Slutsats:
Valet mellan monolitisk och multichip-integration beror på applikationsspecifika krav, inklusive prestandamål, storleksbegränsningar, kostnadsöverväganden och teknikmognad. Trots tillverkningskomplexitet är monolitisk integration fördelaktig för applikationer som kräver extrem miniatyrisering, låg strömförbrukning och höghastighetsdataöverföring. Istället erbjuder multichip-integration större designflexibilitet och utnyttjar befintliga tillverkningsmöjligheter, vilket gör den lämplig för applikationer där dessa faktorer överväger fördelarna med en tätare integration. Allt eftersom forskningen fortskrider utforskas även hybridmetoder som kombinerar delar av båda strategierna för att optimera systemprestanda samtidigt som de utmaningar som är förknippade med varje metod minskas.
Publiceringstid: 8 juli 2024