Optoelektronisk integrasjonsmetode

Optoelektroniskintegrasjonsmetode

Integrasjonen avfotonikkog elektronikk er et nøkkeltrinn i å forbedre mulighetene til informasjonsbehandlingssystemer, muliggjør raskere dataoverføringshastigheter, lavere strømforbruk og mer kompakt enhetsdesign, og åpner for store nye muligheter for systemdesign. Integreringsmetoder er generelt delt inn i to kategorier: monolittisk integrasjon og multi-chip-integrasjon.

Monolitisk integrasjon
Monolittisk integrasjon innebærer produksjon av fotoniske og elektroniske komponenter på samme underlag, vanligvis ved å bruke kompatible materialer og prosesser. Denne tilnærmingen fokuserer på å skape et sømløst grensesnitt mellom lys og elektrisitet innenfor en enkelt brikke.
Fordeler:
1. Reduser sammenkoblingstap: Plassering av fotoner og elektroniske komponenter i umiddelbar nærhet minimerer signaltap knyttet til off-chip-forbindelser.
2, Forbedret ytelse: Strammere integrasjon kan føre til raskere dataoverføringshastigheter på grunn av kortere signalveier og redusert ventetid.
3, Mindre størrelse: Monolitisk integrasjon gir mulighet for svært kompakte enheter, noe som er spesielt gunstig for plassbegrensede applikasjoner, for eksempel datasentre eller håndholdte enheter.
4, reduser strømforbruket: eliminer behovet for separate pakker og langdistanseforbindelser, noe som kan redusere strømbehovet betydelig.
Utfordring:
1) Materialkompatibilitet: Å finne materialer som støtter både høykvalitets elektroner og fotoniske funksjoner kan være utfordrende fordi de ofte krever forskjellige egenskaper.
2, prosesskompatibilitet: Å integrere de forskjellige produksjonsprosessene for elektronikk og fotoner på samme underlag uten å forringe ytelsen til en komponent er en kompleks oppgave.
4, Kompleks produksjon: Den høye presisjonen som kreves for elektroniske og fotononiske strukturer øker kompleksiteten og kostnadene ved produksjon.

Multi-chip integrasjon
Denne tilnærmingen gir større fleksibilitet i valg av materialer og prosesser for hver funksjon. I denne integrasjonen kommer de elektroniske og fotoniske komponentene fra forskjellige prosesser og blir deretter satt sammen og plassert på en felles pakke eller substrat (Figur 1). La oss nå liste opp bindingsmodusene mellom optoelektroniske brikker. Direkte binding: Denne teknikken innebærer direkte fysisk kontakt og binding av to plane overflater, vanligvis tilrettelagt av molekylære bindingskrefter, varme og trykk. Den har fordelen av enkelhet og potensielt svært lave tapsforbindelser, men krever nøyaktig innrettede og rene overflater. Fiber/rist-kobling: I dette opplegget er fiber- eller fiberarrayen justert og bundet til kanten eller overflaten av den fotoniske brikken, slik at lys kan kobles inn og ut av brikken. Risten kan også brukes til vertikal kobling, noe som forbedrer effektiviteten av overføringen av lys mellom den fotoniske brikken og den eksterne fiberen. Gjennomgående silisiumhull (TSV) og mikrostøt: Gjennomgående silisiumhull er vertikale sammenkoblinger gjennom et silisiumsubstrat, slik at brikkene kan stables i tre dimensjoner. Kombinert med mikrokonvekse punkter bidrar de til å oppnå elektriske forbindelser mellom elektroniske og fotoniske brikker i stablede konfigurasjoner, egnet for integrering med høy tetthet. Optisk mellomlag: Det optiske mellomlaget er et separat substrat som inneholder optiske bølgeledere som fungerer som et mellomledd for ruting av optiske signaler mellom brikker. Det gir mulighet for presis justering, og ekstra passivoptiske komponenterkan integreres for økt tilkoblingsfleksibilitet. Hybridbinding: Denne avanserte bindingsteknologien kombinerer direkte binding og mikrostøtteknologi for å oppnå elektriske forbindelser med høy tetthet mellom brikker og optiske grensesnitt av høy kvalitet. Det er spesielt lovende for høyytelses optoelektronisk kointegrasjon. Lodde støt binding: I likhet med flip chip binding, brukes lodde støt for å lage elektriske tilkoblinger. Men i sammenheng med optoelektronisk integrasjon, må spesiell oppmerksomhet rettes mot å unngå skade på fotoniske komponenter forårsaket av termisk stress og opprettholde optisk innretting.

Figur 1: : Elektron/foton brikke-til-brikke bindingsskjema

Fordelene med disse tilnærmingene er betydelige: Ettersom CMOS-verdenen fortsetter å følge forbedringer i Moores lov, vil det være mulig å raskt tilpasse hver generasjon CMOS eller Bi-CMOS til en billig fotonisk silisiumbrikke, og høste fordelene av de beste prosessene i fotonikk og elektronikk. Fordi fotonikk generelt ikke krever fremstilling av veldig små strukturer (nøkkelstørrelser på ca. 100 nanometer er typiske) og enhetene er store sammenlignet med transistorer, vil økonomiske hensyn ha en tendens til å presse fotoniske enheter til å bli produsert i en separat prosess, atskilt fra eventuelle avanserte elektronikk som kreves for sluttproduktet.
Fordeler:
1, fleksibilitet: Ulike materialer og prosesser kan brukes uavhengig for å oppnå den beste ytelsen til elektroniske og fotoniske komponenter.
2, prosessmodenhet: bruk av modne produksjonsprosesser for hver komponent kan forenkle produksjonen og redusere kostnadene.
3, Enklere oppgradering og vedlikehold: Separasjonen av komponenter gjør at individuelle komponenter kan erstattes eller oppgraderes lettere uten å påvirke hele systemet.
Utfordring:
1, sammenkoblingstap: Off-chip-forbindelsen introduserer ytterligere signaltap og kan kreve komplekse justeringsprosedyrer.
2, økt kompleksitet og størrelse: Individuelle komponenter krever ekstra emballasje og sammenkoblinger, noe som resulterer i større størrelser og potensielt høyere kostnader.
3, høyere strømforbruk: Lengre signalveier og ekstra emballasje kan øke strømbehovet sammenlignet med monolittisk integrasjon.
Konklusjon:
Valget mellom monolittisk og multi-chip integrasjon avhenger av applikasjonsspesifikke krav, inkludert ytelsesmål, størrelsesbegrensninger, kostnadshensyn og teknologimodenhet. Til tross for kompleksitet i produksjonen, er monolitisk integrasjon fordelaktig for applikasjoner som krever ekstrem miniatyrisering, lavt strømforbruk og høyhastighets dataoverføring. I stedet tilbyr multi-chip-integrasjon større designfleksibilitet og utnytter eksisterende produksjonsevner, noe som gjør den egnet for applikasjoner der disse faktorene oppveier fordelene med tettere integrasjon. Etter hvert som forskningen skrider frem, utforskes også hybride tilnærminger som kombinerer elementer fra begge strategiene for å optimere systemytelsen samtidig som de reduserer utfordringene knyttet til hver tilnærming.