Optoelektronisk integrasjonsmetode

Optoelektroniskintegrasjonsmetode

Integrasjonen avFotonikkOg elektronikk er et sentralt skritt for å forbedre mulighetene for informasjonsbehandlingssystemer, muliggjøre raskere dataoverføringshastigheter, lavere strømforbruk og mer kompakte enhetsdesign, og åpne for store nye muligheter for systemdesign. Integrasjonsmetoder er vanligvis delt inn i to kategorier: monolitisk integrasjon og multi-chip-integrasjon.

Monolitisk integrasjon
Monolitisk integrasjon innebærer å produsere fotoniske og elektroniske komponenter på det samme underlaget, vanligvis ved bruk av kompatible materialer og prosesser. Denne tilnærmingen fokuserer på å skape et sømløst grensesnitt mellom lys og strøm i en enkelt brikke.
Fordeler:
1. Reduser tap av sammenkobling: Å plassere fotoner og elektroniske komponenter i nærheten minimerer signaltap assosiert med off-chip-tilkoblinger.
2, Forbedret ytelse: Tammere integrasjon kan føre til raskere dataoverføringshastigheter på grunn av kortere signalveier og redusert latens.
3, Mindre størrelse: Monolitisk integrasjon gir mulighet for svært kompakte enheter, noe som er spesielt gunstig for rombegrensede applikasjoner, for eksempel datasentre eller håndholdte enheter.
4, Reduser strømforbruket: Fjern behovet for separate pakker og langdistanse sammenkoblinger, noe som kan redusere strømbehovet betydelig.
Utfordring:
1) Materialkompatibilitet: Å finne materialer som støtter både elektroner av høy kvalitet og fotoniske funksjoner kan være utfordrende fordi de ofte krever forskjellige egenskaper.
2, Prosesskompatibilitet: Integrering av de forskjellige produksjonsprosessene for elektronikk og fotoner på det samme underlaget uten å nedbryte ytelsen til noen komponent er en kompleks oppgave.
4, Kompleks produksjon: Den høye presisjonen som kreves for elektroniske og fotononiske strukturer øker kompleksiteten og kostnadene for 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 samlet sammen og plassert på en felles pakke eller underlag (figur 1). La oss nå oppgi bindingsmodusene mellom optoelektroniske brikker. Direkte binding: Denne teknikken innebærer direkte fysisk kontakt og binding av to plane overflater, vanligvis forenklet av molekylære bindingskrefter, varme og trykk. Det har fordelen av enkelhet og potensielt veldig lave tapstilkoblinger, men krever nøyaktig justerte og rene overflater. Fiber/ristekobling: I dette skjemaet er fiber- eller fibergruppen justert og bundet til kanten eller overflaten av den fotoniske brikken, slik at lys kan kobles inn og ut av brikken. Gitteret kan også brukes til vertikal kobling, noe som forbedrer effektiviteten av overføring av lys mellom den fotoniske brikken og den ytre fiberen. Gjennom silisiumhull (TSV) og mikrobumper: Gjennom-silisiumhull er vertikale sammenkoblinger gjennom et silisiumsubstrat, slik at flisene kan stables i tre dimensjoner. Kombinert med mikro-konvekse punkter hjelper de med 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 eget underlag som inneholder optiske bølgeledere som fungerer som en mellomledd for å dirigere optiske signaler mellom chips. Det gir mulighet for presis innretting og ekstra passivOptiske komponenterkan integreres for økt tilkoblingsfleksibilitet. Hybridbinding: Denne avanserte bindingsteknologien kombinerer direkte binding og mikrobump-teknologi for å oppnå elektriske forbindelser med høy tetthet mellom chips og optiske grensesnitt av høy kvalitet. Det er spesielt lovende for høyytelsesoptoelektronisk samintegrering. Loddebukkbinding: I likhet med flip chip -binding brukes loddehud for å lage elektriske tilkoblinger. I sammenheng med optoelektronisk integrasjon, må imidlertid spesiell oppmerksomhet rettes mot å unngå skader på fotoniske komponenter forårsaket av termisk stress og opprettholde optisk innretting.

Figur 1 :: elektron/foton-brikke-til-chip bindingsskjema

Fordelene med disse tilnærmingene er viktige: Ettersom CMOS-verdenen fortsetter å følge forbedringer i Moores lov, vil det være mulig å raskt tilpasse hver generasjon CMOS eller BI-CMOs på en billig silisiumfotonisk brikke, og høster fordelene av de beste prosessene i fotonikk og elektronikk. Fordi fotonikk generelt ikke krever fremstilling av veldig små strukturer (nøkkelstørrelser på rundt 100 nanometer er typiske) og enheter er store sammenlignet med transistorer, vil økonomiske hensyn har en tendens til å presse fotoniske enheter som skal produseres i en egen prosess, atskilt fra avansert elektronikk som kreves for det endelige produktet.
Fordeler:
1, Fleksibilitet: Ulike materialer og prosesser kan brukes uavhengig for å oppnå den beste ytelsen til elektroniske og fotoniske komponenter.
2, Prosessmodning: Bruk av modne produksjonsprosesser for hver komponent kan forenkle produksjonen og redusere kostnadene.
3, Enklere oppgradering og vedlikehold: Separasjonen av komponenter gjør det mulig å erstatte individuelle komponenter lettere uten å påvirke hele systemet.
Utfordring:
1, tap av sammenkobling: off-chip-tilkoblingen 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 ytterligere emballasje kan øke strømkravene sammenlignet med monolitisk integrasjon.
Konklusjon:
Å velge mellom monolitisk og multi-chip-integrasjon avhenger av applikasjonsspesifikke krav, inkludert ytelsesmål, størrelsesbegrensninger, kostnadshensyn og teknologimodenhet. Til tross for produksjonskompleksitet, er monolitisk integrasjon fordelaktig for applikasjoner som krever ekstrem miniatyrisering, lavt strømforbruk og høyhastighets dataoverføring. I stedet gir multi-chip-integrasjon større designfleksibilitet og bruker eksisterende produksjonsevner, noe som gjør det egnet for applikasjoner der disse faktorene oppveier fordelene med strammere integrasjon. Når forskningen utvikler seg, blir hybrid tilnærminger som kombinerer elementer i begge strategiene også utforsket for å optimalisere systemytelsen mens de reduserer utfordringene knyttet til hver tilnærming.