Optoelektroniskintegrationsmetod
Integrationen avfotonikOch elektronik är ett viktigt steg för att förbättra kapaciteten för informationsbehandlingssystem, möjliggöra snabbare dataöverföringshastigheter, lägre strömförbrukning och mer kompakta enhetsdesign och öppna enorma nya möjligheter för systemdesign. Integrationsmetoder är vanligtvis indelade i två kategorier: monolitisk integration och multi-chip-integration.
Monolitisk integration
Monolitisk integration involverar tillverkning av fotoniska och elektroniska komponenter på samma substrat, vanligtvis med kompatibla material och processer. Detta tillvägagångssätt fokuserar på att skapa ett sömlöst gränssnitt mellan ljus och elektricitet inom ett enda chip.
Fördelar:
1. Minska samtrafikförluster: placering av fotoner och elektroniska komponenter i närhet minimerar signalförluster förknippade med off-chip-anslutningar.
2, Förbättrad prestanda: Sändare integration kan leda till snabbare dataöverföringshastigheter på grund av kortare signalvägar och minskad latens.
3, mindre storlek: Monolitisk integration möjliggör mycket kompakta enheter, vilket är särskilt fördelaktigt för rymdbegränsade applikationer, till exempel datacenter eller handhållna enheter.
4, minska kraftförbrukningen: Eliminera behovet av separata paket och långväga sammankopplingar, vilket kan minska kraftkraven 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 underlag utan att försämra prestandan för någon komponent är en komplex uppgift.
4, komplex tillverkning: Den höga precisionen som krävs för elektroniska och fotononiska strukturer ökar komplexiteten och kostnaden för tillverkning.
Flerchipintegration
Detta tillvägagångssätt möjliggör större flexibilitet när det gäller att välja material och processer för varje funktion. I denna integration kommer de elektroniska och fotoniska komponenterna från olika processer och monteras sedan ihop och placeras på ett gemensamt paket eller underlag (figur 1). Låt oss nu lista bindningslägen mellan optoelektroniska chips. Direkt bindning: Denna teknik involverar direkt fysisk kontakt och bindning av två plana ytor, vanligtvis underlättade av molekylära bindningskrafter, värme och tryck. Det har fördelen med enkelhet och potentiellt mycket låga förlustanslutningar, men kräver exakt inriktade och rena ytor. Fiber/gitterkoppling: I detta schema är fiber- eller fiberuppsättningen inriktad och bunden till kanten eller ytan på det fotoniska chipet, vilket gör att ljus kan kopplas in och ut ur chipet. Gornet kan också användas för vertikal koppling, vilket förbättrar effektiviteten för överföring av ljus mellan det fotoniska chipet och den yttre fibern. Genom kiselhål (TSV) och mikrobumpar: genom kiselhål är vertikala sammankopplingar genom ett kiselsubstrat, vilket gör att chips kan staplas i tre dimensioner. I kombination med mikrokonvexpunkter hjälper de till att uppnå elektriska anslutningar mellan elektroniska och fotoniska chips i staplade konfigurationer, lämpliga för integration med hög densitet. Optiskt mellanliggande lager: Det optiska mellanhandskiktet är ett separat underlag som innehåller optiska vågledare som fungerar som en mellanhand för att dirigera optiska signaler mellan chips. Det möjliggör exakt anpassning och ytterligare passivoptiska komponenterkan integreras för ökad anslutningsflexibilitet. Hybridbindning: Denna avancerade bindningsteknologi kombinerar direkt bindning och mikrobumpsteknik för att uppnå elektriska anslutningar med hög densitet mellan chips och högkvalitativa optiska gränssnitt. Det är särskilt lovande för högpresterande optoelektronisk samintegration. Lödbultbindning: I likhet med flip -chipbindning används lödbulor för att skapa elektriska anslutningar. I samband med optoelektronisk integration måste emellertid särskild uppmärksamhet ägnas åt att undvika skador på fotoniska komponenter orsakade av termisk stress och upprätthålla optisk anpassning.
Bild 1 :: Elektron/fotonchip-till-chip-bindningsschema
Fördelarna med dessa tillvägagångssätt är betydande: eftersom CMOS-världen fortsätter att följa förbättringar i Moores lag kommer det att vara möjligt att snabbt anpassa varje generation CMO: er eller BI-CMO till ett billigt kiselfotoniskt chip, som skördar fördelarna med de bästa processerna inom fotonik och elektronik. Eftersom fotonik i allmänhet inte kräver tillverkning av mycket små strukturer (nyckelstorlekar på cirka 100 nanometrar är typiska) och enheter är stora jämfört med transistorer, kommer ekonomiska överväganden tenderar att driva fotoniska enheter som ska tillverkas i en separat process, separerad från alla avancerade elektronik som krävs för slutprodukten.
Fördelar:
1, flexibilitet: Olika material och processer kan användas oberoende 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 lättare utan att påverka hela systemet.
Utmaning:
1, samtrafikförlust: Off-chip-anslutningen introducerar ytterligare signalförlust och kan kräva komplexa justeringsförfaranden.
2, ökad komplexitet och storlek: Enskilda komponenter kräver ytterligare förpackningar och sammankopplingar, vilket resulterar i större storlekar och potentiellt högre kostnader.
3, högre effektförbrukning: längre signalvägar och ytterligare förpackningar kan öka effektkraven jämfört med monolitisk integration.
Slutsats:
Att välja mellan monolitisk och multi-chip-integration beror på applikationsspecifika krav, inklusive prestationsmål, storleksbegränsningar, kostnadsöverväganden och teknikmognad. Trots tillverkningskomplexitet är monolitisk integration fördelaktig för applikationer som kräver extrem miniatyrisering, låg effektförbrukning och höghastighetsöverföring. Istället erbjuder multi-chip-integration större designflexibilitet och använder befintliga tillverkningsfunktioner, vilket gör den lämplig för applikationer där dessa faktorer uppväger fördelarna med stramare integration. När forskningen fortskrider undersöks också hybridmetoder som kombinerar delar av båda strategierna för att optimera systemprestanda samtidigt som de utmaningar som är förknippade med varje strategi.
Posttid: JUL-08-2024