Оптоелектроннийметод інтегрування
Інтеграціяфотоніката електроніки є ключовим кроком у покращенні можливостей систем обробки інформації, забезпечуючи швидшу передачу даних, нижче енергоспоживання та компактніші 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 та електронних компонентів на одній підкладці, зазвичай з використанням сумісних матеріалів та процесів. Цей підхід зосереджений на створенні безшовного інтерфейсу між світлом та електрикою в межах одного чіпа.
Переваги:
1. Зменшення втрат у взаємоз'єднаннях: Розміщення фотонів та електронних компонентів поблизу мінімізує втрати сигналу, пов'язані з позачіповими з'єднаннями.
2. Покращена продуктивність: Тісніша інтеграція може призвести до швидшої передачі даних завдяки коротшим сигнальним шляхам та зменшенню затримки.
3. Менший розмір: Монолітна інтеграція дозволяє створювати дуже компактні пристрої, що особливо вигідно для застосувань з обмеженим простором, таких як центри обробки даних або портативні пристрої.
4, зменшення споживання енергії: усунення потреби в окремих пакетах та міжміських з'єднаннях, що може значно зменшити потреби в енергії.
Виклик:
1) Сумісність матеріалів: Пошук матеріалів, які підтримують як високоякісні електрони, так і фотонні функції, може бути складним завданням, оскільки вони часто вимагають різних властивостей.
2, сумісність процесів: інтеграція різноманітних виробничих процесів електроніки та фотонів на одній підкладці без погіршення продуктивності будь-якого компонента є складним завданням.
4, Складне виробництво: Висока точність, необхідна для електронних та фотонних структур, збільшує складність та вартість виробництва.
Багаточіпова інтеграція
Такий підхід забезпечує більшу гнучкість у виборі матеріалів та процесів для кожної функції. У цій інтеграції електронні та фотонні компоненти походять з різних процесів, а потім збираються разом та розміщуються на спільному корпусі або підкладці (Рисунок 1). Тепер перерахуємо способи з'єднання між оптоелектронними чіпами. Пряме з'єднання: Цей метод передбачає прямий фізичний контакт та з'єднання двох плоских поверхонь, що зазвичай полегшується силами молекулярного зв'язку, теплом та тиском. Він має перевагу в простоті та потенційно дуже низьких втратах з'єднання, але вимагає точно вирівняних та чистих поверхонь. З'єднання волокна/ґратки: У цій схемі волокно або масив волокон вирівнюється та з'єднується з краєм або поверхнею фотонного чіпа, що дозволяє світлу вводити та виводити його з чіпа. Ґратку також можна використовувати для вертикального з'єднання, що покращує ефективність передачі світла між фотонним чіпом та зовнішнім волокном. Наскрізні кремнієві отвори (TSV) та мікровиступи: Наскрізні кремнієві отвори - це вертикальні з'єднання через кремнієву підкладку, що дозволяє укладати чіпи у трьох вимірах. У поєднанні з мікроопуклими точками вони допомагають досягти електричних з'єднань між електронними та фотонними чіпами в багатошарових конфігураціях, що підходить для інтеграції з високою щільністю. Оптичний проміжний шар: Оптичний проміжний шар – це окрема підкладка, що містить оптичні хвилеводи, що служать посередником для маршрутизації оптичних сигналів між чіпами. Це дозволяє забезпечити точне вирівнювання та додаткові пасивні...оптичні компонентиможна інтегрувати для підвищення гнучкості з'єднань. Гібридне з'єднання: ця передова технологія з'єднання поєднує пряме з'єднання та технологію мікроз'єднання для досягнення високощільних електричних з'єднань між мікросхемами та високоякісних оптичних інтерфейсів. Вона особливо перспективна для високопродуктивної оптоелектронної коінтеграції. Паяльне з'єднання з'єднання з'єднанням: подібно до з'єднання з перевернутими мікросхемами, паяльні з'єднання з'єднання використовуються для створення електричних з'єднань. Однак, у контексті оптоелектронної інтеграції, особливу увагу необхідно приділяти уникненню пошкодження фотонних компонентів, спричиненого термічним напруженням, та підтримці оптичного вирівнювання.
Рисунок 1: Схема зв'язку електронів/фотонів між чіпами
Переваги цих підходів є значними: оскільки світ CMOS продовжує слідувати вдосконаленням закону Мура, можна буде швидко адаптувати кожне покоління CMOS або Bi-CMOS на дешевий кремнієвий фотонний чіп, використовуючи переваги найкращих процесів у фотоніці та електроніці. Оскільки фотоніка зазвичай не вимагає виготовлення дуже малих структур (типові розміри ключів близько 100 нанометрів), а пристрої є великими порівняно з транзисторами, економічні міркування, як правило, спонукатимуть до виробництва фотонних пристроїв в окремому процесі, відокремленому від будь-якої передової електроніки, необхідної для кінцевого продукту.
Переваги:
1, гнучкість: Різні матеріали та процеси можна використовувати незалежно для досягнення найкращої продуктивності електронних та фотонних компонентів.
2, зрілість процесу: використання зрілих виробничих процесів для кожного компонента може спростити виробництво та зменшити витрати.
3, Легше оновлення та обслуговування: Розділення компонентів дозволяє легше замінювати або модернізувати окремі компоненти, не впливаючи на всю систему.
Виклик:
1, втрати міжз'єднання: Позачіпове з'єднання призводить до додаткових втрат сигналу та може вимагати складних процедур вирівнювання.
2, підвищена складність та розмір: окремі компоненти потребують додаткового пакування та взаємоз'єднань, що призводить до більших розмірів та потенційно вищих витрат.
3, вище енергоспоживання: довші сигнальні шляхи та додаткова упаковка можуть збільшити вимоги до живлення порівняно з монолітною інтеграцією.
Висновок:
Вибір між монолітною та багаточиповою інтеграцією залежить від вимог конкретного застосування, включаючи цілі продуктивності, обмеження розміру, вартісні міркування та зрілість технології. Незважаючи на складність виробництва, монолітна інтеграція є вигідною для застосувань, які потребують надзвичайної мініатюризації, низького енергоспоживання та високошвидкісної передачі даних. Натомість, багаточипова інтеграція пропонує більшу гнучкість проектування та використовує існуючі виробничі можливості, що робить її придатною для застосувань, де ці фактори переважують переваги тіснішої інтеграції. У міру розвитку досліджень також досліджуються гібридні підходи, що поєднують елементи обох стратегій, для оптимізації продуктивності системи, одночасно пом'якшуючи проблеми, пов'язані з кожним підходом.
Час публікації: 08 липня 2024 р.