Optoelektroniskās integrācijas metode

Optoelektronisksintegrācijas metode

IntegrācijafotonikaElektronika ir galvenais solis, lai uzlabotu informācijas apstrādes sistēmu iespējas, nodrošināt ātrāku datu pārsūtīšanas ātrumu, zemāku enerģijas patēriņu un kompaktāku ierīču dizainu un pavērt milzīgas jaunas iespējas sistēmas projektēšanai. Integrācijas metodes parasti tiek sadalītas divās kategorijās: monolīta integrācija un vairāku čipu integrācija.

Monolīta integrācija
Monolīta integrācija ietver fotonisko un elektronisko komponentu ražošanu vienā un tajā pašā substrātā, parasti izmantojot saderīgus materiālus un procesus. Šī pieeja koncentrējas uz nemanāmu saskarnes izveidi starp gaismu un elektrību vienā mikroshēmā.
Priekšrocības:
1. Samaziniet starpsavienojuma zudumus: fotonu un elektronisko komponentu ievietošana tiešā tuvumā samazina signāla zudumus, kas saistīti ar savienojumiem ārpus mikroshēmas.
2, uzlabota veiktspēja: stingrāka integrācija var izraisīt ātrāku datu pārsūtīšanas ātrumu īsāku signāla ceļu un samazinātu latentuma dēļ.
3, mazāks izmērs: Monolīta integrācija ļauj veikt ļoti kompaktas ierīces, kas ir īpaši labvēlīgas ierobežotām lietojumprogrammām, piemēram, datu centriem vai rokas ierīcēm.
4, samaziniet enerģijas patēriņu: Novērsiet nepieciešamību pēc atsevišķām paketēm un tālsatiksmes starpsavienojumiem, kas var ievērojami samazināt jaudas prasības.
Izaicinājums:
1) Materiālu savietojamība: materiālu atrašana, kas atbalsta gan augstas kvalitātes elektronus, gan fotoniskās funkcijas, var būt izaicinoši, jo tiem bieži ir vajadzīgas dažādas īpašības.
2, Procesa savietojamība: Elektronikas un fotonu daudzveidīgo ražošanas procesu integrēšana vienā un tajā pašā substrātā, nesadalot neviena komponenta veiktspēju ir sarežģīts uzdevums.
4, Kompleksa ražošana: Elektroniskām un fotononiskām konstrukcijām nepieciešamā augstā precizitāte palielina ražošanas sarežģītību un izmaksas.

Daudzpanču integrācija
Šī pieeja ļauj lielāku elastību, izvēloties katras funkcijas materiālus un procesus. Šajā integrācijā elektroniskie un fotoniskie komponenti nāk no dažādiem procesiem un pēc tam tiek salikti kopā un novietoti uz kopēja paketes vai substrāta (1. attēls). Tagad uzskaitīsim savienošanas režīmus starp optoelektroniskajām mikroshēmām. Tieša saistīšana: Šī paņēmiens ietver divu plakano virsmu tiešo fizisko kontaktu un savienošanu, ko parasti atvieglo molekulārā savienojuma spēki, siltums un spiediens. Tam ir vienkāršības un potenciāli ļoti zemu zaudējumu savienojumu priekšrocība, taču tai nepieciešama precīzi izlīdzināta un tīra virsma. Šķiedru/režģa savienojums: Šajā shēmā šķiedru vai šķiedru masīvs ir izlīdzināts un savienots ar fotoniskās mikroshēmas malu vai virsmu, ļaujot gaismu savienot mikroshēmā un ārpus tās. Režģi var izmantot arī vertikālai savienošanai, uzlabojot gaismas pārraides efektivitāti starp fotonisko mikroshēmu un ārējo šķiedru. Caur silikona caurumiem (TSV) un mikrouzņēmumiem: caur silikona caurumiem ir vertikāli savienojumi caur silīcija substrātu, ļaujot mikroshēmām sakraut trīs dimensijās. Apvienojumā ar mikro-convex punktiem tie palīdz sasniegt elektriskos savienojumus starp elektroniskajām un fotoniskajām mikroshēmām sakrautās konfigurācijās, kas piemērota augsta blīvuma integrācijai. Optiskais starpnieka slānis: Optiskais starpnieks ir atsevišķs substrāts, kas satur optiskos viļņvadus, kas kalpo kā starpnieks optisko signālu maršrutēšanai starp mikroshēmām. Tas ļauj precīzi izlīdzināties un papildu pasīvioptiskās sastāvdaļasvar integrēt, lai palielinātu savienojuma elastību. Hibrīda savienošana: Šī uzlabotā savienošanas tehnoloģija apvieno tiešo savienošanu un mikro-bump tehnoloģiju, lai sasniegtu augstas blīvuma elektriskos savienojumus starp mikroshēmām un augstas kvalitātes optiskām saskarnēm. Tas ir īpaši daudzsološs augstas veiktspējas optoelektroniskās kointegrācijai. Līdzekļu lodēšana: līdzīgi kā Flip Chip Lobing, lodēšanas izciļņi tiek izmantoti, lai izveidotu elektriskos savienojumus. Tomēr optoelektroniskās integrācijas kontekstā jāpievērš īpaša uzmanība, lai izvairītos no fotonisko komponentu bojājumiem, ko izraisa termiskais stress un optiskās izlīdzināšanas saglabāšanai.

1. attēls: elektronu/fotonu mikroshēmu mikroshēmu savienošanas shēma

Šo pieeju priekšrocības ir nozīmīgas: tā kā CMOS pasaule turpina ievērot Mūra likuma uzlabojumus, būs iespējams ātri pielāgot katru CMO vai BI-CMO paaudzi lētai silīcija fotoniskai mikroshēmai, iegūstot labāko procesu ieguvumus fotonikā un elektronikā. Tā kā fotonikai parasti nav nepieciešams izgatavot ļoti mazas struktūras (parasti ir tipiski galvenie izmēri apmēram 100 nanometriem), un ierīces ir lielas, salīdzinot ar tranzistoriem, ekonomiskajiem apsvērumiem būs tendence uzfotoniskām ierīcēm, kuras ražo atsevišķā procesā, atdalot no visām uzlabotajām elektronikām, kas vajadzīgas galaprākam.
Priekšrocības:
1, elastība: Dažādus materiālus un procesus var izmantot patstāvīgi, lai sasniegtu vislabāko elektronisko un fotonisko komponentu veiktspēju.
2, procesa briedums: nobriedušu ražošanas procesu izmantošana katram komponentam var vienkāršot ražošanu un samazināt izmaksas.
3, vieglāka jaunināšana un apkope: komponentu atdalīšana ļauj vienkāršāk aizstāt vai uzlabot atsevišķus komponentus, neietekmējot visu sistēmu.
Izaicinājums:
1, starpsavienojuma zudums: ārpus mikroshēmas savienojums ievieš papildu signāla zudumus un var prasīt sarežģītas izlīdzināšanas procedūras.
2, palielināta sarežģītība un lielums: atsevišķām sastāvdaļām ir nepieciešams papildu iepakojums un savstarpēji savienojumi, kā rezultātā rodas lielāki izmēri un potenciāli augstākas izmaksas.
3, lielāks enerģijas patēriņš: garāki signāla ceļi un papildu iesaiņojums var palielināt jaudas prasības, salīdzinot ar monolītu integrāciju.
Secinājums:
Izvēle starp monolīto un vairākučipu integrāciju ir atkarīga no lietojumprogrammai specifiskām prasībām, ieskaitot veiktspējas mērķus, lieluma ierobežojumus, izmaksu apsvērumus un tehnoloģiju briedumu. Neskatoties uz ražošanas sarežģītību, monolīta integrācija ir izdevīga lietojumprogrammām, kurām nepieciešama ārkārtēja miniaturizācija, zema enerģijas patēriņš un ātrgaitas datu pārraide. Tā vietā vairākučipu integrācija piedāvā lielāku projektēšanas elastību un izmanto esošās ražošanas iespējas, padarot to piemērotu lietojumprogrammām, kur šie faktori pārsniedz stingrākas integrācijas priekšrocības. Pētījumā progresējot, tiek izpētīta arī hibrīda pieeja, kas apvieno abu stratēģiju elementus, lai optimizētu sistēmas veiktspēju, vienlaikus mazinot izaicinājumus, kas saistīti ar katru pieeju.