Optoelektroniskās integrācijas metode

Optoelektronikaintegrācijas metode

Integrācijafotonikaun elektronika ir galvenais solis informācijas apstrādes sistēmu spēju uzlabošanā, nodrošinot ātrāku datu pārraides ātrumu, mazāku enerģijas patēriņu un kompaktāku ierīču dizainu, kā arī paverot milzīgas jaunas iespējas sistēmu projektēšanai. Integrācijas metodes parasti iedala divās kategorijās: monolītā integrācija un vairāku mikroshēmu integrācija.

Monolītā integrācija
Monolītā integrācija ietver fotonisku un elektronisku komponentu ražošanu uz viena un tā paša substrāta, parasti izmantojot saderīgus materiālus un procesus. Šī pieeja ir vērsta uz vienotas gaismas un elektrības saskarnes izveidi vienā mikroshēmā.
Priekšrocības:
1. Samaziniet starpsavienojumu zudumus: fotonu un elektronisko komponentu izvietošana tiešā tuvumā samazina signāla zudumus, kas saistīti ar savienojumiem ārpus mikroshēmas.
2, uzlabota veiktspēja: stingrāka integrācija var nodrošināt ātrāku datu pārraides ātrumu īsāku signāla ceļu un samazināta latentuma dēļ.
3, mazāks izmērs: monolītā integrācija nodrošina ļoti kompaktas ierīces, kas ir īpaši izdevīga lietojumprogrammām ar ierobežotu vietu, piemēram, datu centriem vai rokas ierīcēm.
4, samaziniet enerģijas patēriņu: likvidējiet vajadzību pēc atsevišķām pakotnēm un tālsatiksmes starpsavienojumiem, kas var ievērojami samazināt enerģijas prasības.
Izaicinājums:
1) Materiālu saderība: atrast materiālus, kas atbalsta gan augstas kvalitātes elektronus, gan fotoniskās funkcijas, var būt sarežģīti, jo tiem bieži ir nepieciešamas dažādas īpašības.
2, procesa saderība: dažādu elektronikas un fotonu ražošanas procesu integrēšana uz viena substrāta, nepasliktinot neviena komponenta veiktspēju, ir sarežģīts uzdevums.
4, Sarežģīta ražošana: elektroniskām un fotoniskām struktūrām nepieciešamā augstā precizitāte palielina ražošanas sarežģītību un izmaksas.

Vairāku mikroshēmu integrācija
Šī pieeja nodrošina lielāku elastību, izvēloties materiālus un procesus katrai funkcijai. Šajā integrācijā elektroniskie un fotoniskie komponenti nāk no dažādiem procesiem, un pēc tam tiek salikti kopā un novietoti uz kopīga iepakojuma vai substrāta (1. attēls). Tagad uzskaitīsim savienošanas režīmus starp optoelektroniskajām mikroshēmām. Tiešā savienošana: šī metode ietver tiešu fizisku kontaktu un divu plakanu virsmu savienošanu, ko parasti veicina molekulārie saistīšanas spēki, siltums un spiediens. Tā priekšrocība ir vienkāršība un potenciāli ļoti zemu zudumu savienojumi, taču tam ir nepieciešamas precīzi izlīdzinātas un tīras virsmas. Šķiedras/režģa savienojums: šajā shēmā šķiedra vai šķiedru bloks ir izlīdzināts un savienots ar fotoniskās mikroshēmas malu vai virsmu, ļaujot gaismai savienoties mikroshēmā un no tās. Režģi var izmantot arī vertikālai savienošanai, uzlabojot gaismas pārraides efektivitāti starp fotonisko mikroshēmu un ārējo šķiedru. Caurstrāvas silīcija caurumi (TSV) un mikroizciļņi: caurejošie silīcija caurumi ir vertikāli savienojumi caur silīcija substrātu, ļaujot salikt mikroshēmas trīs dimensijās. Apvienojumā ar mikroizliektajiem punktiem tie palīdz izveidot elektriskus savienojumus starp elektroniskajām un fotoniskajām mikroshēmām stacked konfigurācijās, kas piemērotas augsta blīvuma integrācijai. Optiskais starpslānis: optiskais starpslānis ir atsevišķs substrāts, kurā ir optiskie viļņvadi, kas kalpo kā starpnieks optisko signālu maršrutēšanai starp mikroshēmām. Tas nodrošina precīzu izlīdzināšanu un papildu pasīvooptiskie komponentivar integrēt, lai palielinātu savienojuma elastību. Hibrīda savienošana: šī uzlabotā savienošanas tehnoloģija apvieno tiešo savienošanu un mikroizciļņu tehnoloģiju, lai panāktu augsta blīvuma elektriskos savienojumus starp mikroshēmām un augstas kvalitātes optiskām saskarnēm. Tas ir īpaši daudzsološs augstas veiktspējas optoelektroniskajai kointegrācijai. Lodēšanas izciļņu savienošana: līdzīgi kā flip chip savienošanai, lodēšanas izciļņi tiek izmantoti, lai izveidotu elektriskos savienojumus. Tomēr optoelektroniskās integrācijas kontekstā īpaša uzmanība jāpievērš tam, lai izvairītos no fotonisko komponentu bojājumiem, ko izraisa termiskais stress, un saglabātu optisko izlīdzināšanu.

1. attēls: : Elektronu/fotonu mikroshēmas savienošanas shēma

Šo pieeju priekšrocības ir ievērojamas: tā kā CMOS pasaule turpina sekot Mūra likuma uzlabojumiem, katru CMOS vai Bi-CMOS paaudzi būs iespējams ātri pielāgot lētai silīcija fotoniskajai mikroshēmai, izmantojot labāko procesu priekšrocības. fotonika un elektronika. Tā kā fotonikai parasti nav nepieciešama ļoti mazu konstrukciju izgatavošana (tipiski atslēgas izmēri ir aptuveni 100 nanometri) un ierīces ir lielas salīdzinājumā ar tranzistoriem, ekonomisku apsvērumu dēļ fotoniskās ierīces būs jāražo atsevišķā procesā, kas ir atdalīts no jebkādām modernām ierīcēm. gala produktam nepieciešamā elektronika.
Priekšrocības:
1, elastība: dažādus materiālus un procesus var izmantot neatkarīgi, lai sasniegtu vislabāko elektronisko un fotonisko komponentu veiktspēju.
2, procesa briedums: katra komponenta nobriedušu ražošanas procesu izmantošana var vienkāršot ražošanu un samazināt izmaksas.
3, Vienkāršāka jaunināšana un apkope: komponentu atdalīšana ļauj vieglāk nomainīt vai uzlabot atsevišķas sastāvdaļas, neietekmējot visu sistēmu.
Izaicinājums:
1, starpsavienojuma zudums: savienojums ārpus mikroshēmas rada papildu signāla zudumu un var prasīt sarežģītas izlīdzināšanas procedūras.
2, palielināta sarežģītība un izmērs: atsevišķiem komponentiem ir nepieciešams papildu iesaiņojums un starpsavienojumi, kā rezultātā ir lielāki izmēri un, iespējams, lielākas izmaksas.
3, lielāks enerģijas patēriņš: garāki signāla ceļi un papildu iepakojums var palielināt enerģijas prasības salīdzinājumā ar monolītu integrāciju.
Secinājums:
Izvēle starp monolītu un vairāku mikroshēmu integrāciju ir atkarīga no lietojumprogrammas prasībām, tostarp veiktspējas mērķiem, izmēra ierobežojumiem, izmaksu apsvērumiem un tehnoloģiju brieduma. Neskatoties uz ražošanas sarežģītību, monolītā integrācija ir izdevīga lietojumprogrammām, kurām nepieciešama ārkārtēja miniaturizācija, zems enerģijas patēriņš un liela ātruma datu pārraide. Tā vietā vairāku mikroshēmu integrācija piedāvā lielāku dizaina elastību un izmanto esošās ražošanas iespējas, padarot to piemērotu lietojumprogrammām, kurās šie faktori atsver priekšrocības, ko sniedz ciešāka integrācija. Attīstoties pētījumiem, tiek pētītas arī hibrīdās pieejas, kas apvieno abu stratēģiju elementus, lai optimizētu sistēmas veiktspēju, vienlaikus mazinot ar katru pieeju saistītās problēmas.