Метод оптико-електронної інтеграції

Оптико-електронніметод інтеграції

Інтеграціяфотонікаі електроніка є ключовим кроком у вдосконаленні можливостей систем обробки інформації, забезпечуючи більш високу швидкість передачі даних, нижче енергоспоживання та більш компактні конструкції пристроїв, а також відкриваючи величезні нові можливості для проектування систем. Методи інтеграції зазвичай поділяються на дві категорії: монолітна інтеграція та багаточіпова інтеграція.

Монолітна інтеграція
Монолітна інтеграція передбачає виробництво фотонних і електронних компонентів на одній підкладці, як правило, з використанням сумісних матеріалів і процесів. Цей підхід спрямований на створення безперебійного інтерфейсу між світлом і електрикою в одному чіпі.
Переваги:
1. Зменшення втрат між з’єднаннями: розміщення фотонів і електронних компонентів у безпосередній близькості мінімізує втрати сигналу, пов’язані з з’єднаннями поза мікросхемою.
2, Покращена продуктивність: більш тісна інтеграція може призвести до вищої швидкості передачі даних завдяки коротшим шляхам сигналу та зменшеній затримці.
3. Менший розмір: монолітна інтеграція дозволяє створити дуже компактні пристрої, що особливо вигідно для додатків з обмеженим простором, таких як центри обробки даних або портативні пристрої.
4, зменшити споживання електроенергії: усунути потребу в окремих пакетах і міжміських з’єднаннях, що може значно знизити вимоги до електроенергії.
Завдання:
1) Сумісність матеріалів: знайти матеріали, які підтримують як електрони високої якості, так і фотонні функції, може бути складно, оскільки вони часто вимагають різних властивостей.
2, сумісність процесів: інтеграція різноманітних процесів виробництва електроніки та фотонів на одній підкладці без погіршення продуктивності будь-якого компонента є складним завданням.
4. Складне виробництво: висока точність, необхідна для електронних і фотононних структур, збільшує складність і вартість виробництва.

Багаточіпова інтеграція
Такий підхід забезпечує більшу гнучкість у виборі матеріалів і процесів для кожної функції. У цій інтеграції електронні та фотонні компоненти походять від різних процесів, а потім збираються разом і розміщуються на загальній упаковці або підкладці (рис. 1). Тепер давайте перерахуємо режими зв’язку між оптоелектронними мікросхемами. Пряме з’єднання: Ця техніка передбачає прямий фізичний контакт і з’єднання двох плоских поверхонь, зазвичай сприяючи силам молекулярного з’єднання, теплу та тиску. Його перевага полягає в простоті та потенційно дуже низьких втратах з’єднань, але вимагає точно вирівняних і чистих поверхонь. Сполучення волокно/гратка: у цій схемі волокно або масив волокон вирівнюються та прикріплюються до краю або поверхні фотонного чіпа, дозволяючи світлу вводитися та виходити з чіпа. Решітку також можна використовувати для вертикального з’єднання, покращуючи ефективність передачі світла між фотонним чіпом і зовнішнім волокном. Наскрізні кремнієві отвори (TSV) і мікровиступи: наскрізні кремнієві отвори — це вертикальні з’єднання через кремнієву підкладку, що дозволяє складати чіпи в три виміри. У поєднанні з мікроопуклими точками вони допомагають досягти електричних з’єднань між електронними та фотонними чіпами в складених конфігураціях, придатних для інтеграції з високою щільністю. Оптичний проміжний рівень: оптичний проміжний рівень — це окрема підкладка, що містить оптичні хвилеводи, які служать посередником для маршрутизації оптичних сигналів між мікросхемами. Це забезпечує точне вирівнювання та додатковий пасивоптичні компонентиможна інтегрувати для збільшення гнучкості підключення. Гібридне з’єднання: ця вдосконалена технологія з’єднання поєднує в собі пряме з’єднання та технологію мікровиступів для досягнення високої щільності електричних з’єднань між мікросхемами та високоякісними оптичними інтерфейсами. Це особливо перспективно для високопродуктивної оптоелектронної коінтеграції. З’єднання припоєм: подібно до з’єднання фліп-чіпів, для створення електричних з’єднань використовуються припой. Однак у контексті оптоелектронної інтеграції особливу увагу слід приділяти уникненню пошкодження фотонних компонентів, спричиненому тепловою напругою, і збереженню оптичного вирівнювання.

Малюнок 1: Електрон/фотон схема зв’язку чіп-чіп

Переваги цих підходів значні: оскільки світ CMOS продовжує слідувати вдосконаленням закону Мура, можна буде швидко адаптувати кожне покоління CMOS або Bi-CMOS до дешевого кремнієвого фотонного чіпа, пожинаючи переваги найкращих процесів у фотоніка та електроніка. Оскільки фотоніка, як правило, не вимагає виготовлення дуже малих структур (типові розміри ключів близько 100 нанометрів), а пристрої є більшими порівняно з транзисторами, економічні міркування, як правило, підштовхують фотонні пристрої до виробництва в окремому процесі, відокремленому від будь-якого просунутого. електроніка, необхідна для кінцевого продукту.
Переваги:
1, гнучкість: різні матеріали та процеси можна використовувати незалежно для досягнення найкращої продуктивності електронних і фотонних компонентів.
2, зрілість процесу: використання зрілих виробничих процесів для кожного компонента може спростити виробництво та зменшити витрати.
3. Простіше оновлення та обслуговування: розділення компонентів дозволяє легше замінювати або оновлювати окремі компоненти, не впливаючи на всю систему.
Завдання:
1, втрата з’єднання: з’єднання поза мікросхемою створює додаткові втрати сигналу та може потребувати складних процедур узгодження.
2, підвищена складність і розмір: окремі компоненти вимагають додаткового пакування та з’єднань, що призводить до збільшення розмірів і потенційно вищих витрат.
3, більш високе енергоспоживання: довші шляхи передачі сигналу та додаткова упаковка можуть збільшити потреби в електроенергії порівняно з монолітною інтеграцією.
Висновок:
Вибір між монолітною та багаточіповою інтеграцією залежить від конкретних вимог програми, включаючи цілі продуктивності, обмеження розміру, міркування щодо вартості та зрілість технології. Незважаючи на складність виробництва, монолітна інтеграція є перевагою для програм, які вимагають надзвичайної мініатюризації, низького енергоспоживання та високошвидкісної передачі даних. Натомість багаточіпова інтеграція забезпечує більшу гнучкість конструкції та використовує наявні виробничі можливості, що робить її придатною для застосувань, де ці фактори переважують переваги більш тісної інтеграції. У міру розвитку досліджень також досліджуються гібридні підходи, які поєднують елементи обох стратегій, щоб оптимізувати продуктивність системи, одночасно пом’якшуючи проблеми, пов’язані з кожним підходом.