Optoelektroniskās integrācijas metode

Optoelektronikaintegrācijas metode

Integrācijafotonikaun elektronika ir būtisks solis informācijas apstrādes sistēmu iespēju uzlabošanā, nodrošinot ātrāku datu pārsūtīšanas ātrumu, zemāku enerģijas patēriņu un kompaktāku ierīču dizainu, kā arī paverot milzīgas jaunas iespējas sistēmu projektēšanā. Integrācijas metodes parasti iedala divās kategorijās: monolīta integrācija un daudzu mikroshēmu integrācija.

Monolīta integrācija
Monolītā integrācija ietver fotonisko un elektronisko komponentu ražošanu uz viena substrāta, parasti izmantojot saderīgus materiālus un procesus. Šī pieeja koncentrējas uz nemanāmas gaismas un elektrības saskarnes izveidi vienā mikroshēmā.
Priekšrocības:
1. Samaziniet starpsavienojumu zudumus: fotonu un elektronisko komponentu novietošana tuvu viens otram samazina signāla zudumus, kas saistīti ar ārpusmikroshēmas savienojumiem.
2. Uzlabota veiktspēja: Ciešāka integrācija var nodrošināt ātrāku datu pārsūtīšanas ātrumu, pateicoties īsākiem signāla ceļiem un samazinātai latentumam.
3. Mazāks izmērs: Monolītā integrācija ļauj izveidot ļoti kompaktas ierīces, kas ir īpaši izdevīgi lietojumprogrammām ar ierobežotu vietu, piemēram, datu centriem vai rokas ierīcēm.
4, samaziniet enerģijas patēriņu: novērsiet nepieciešamību pēc atsevišķiem iepakojumiem un tālsatiksmes savienojumiem, kas var ievērojami samazināt enerģijas patēriņu.
Izaicinājums:
1) Materiālu saderība: Materiālu atrašana, kas atbalsta gan augstas kvalitātes elektronus, gan fotoniskās funkcijas, var būt sarežģīta, jo tiem bieži vien ir nepieciešamas atšķirīgas īpašības.
2, procesu saderība: elektronikas un fotonu dažādo ražošanas procesu integrēšana uz viena substrāta, nemazinot neviena komponenta veiktspēju, ir sarežģīts uzdevums.
4. Sarežģīta ražošana: Elektronisko un fotonisko struktūru izgatavošanai nepieciešamā augstā precizitāte palielina ražošanas sarežģītību un izmaksas.

Daudzmikroshēmu integrācija
Šī pieeja nodrošina lielāku elastību materiālu un procesu izvēlē katrai funkcijai. Šajā integrācijā elektroniskās un fotoniskās sastāvdaļas nāk no dažādiem procesiem un pēc tam tiek saliktas kopā un novietotas uz kopīga korpusa vai substrāta (1. attēls). Tagad uzskaitīsim savienošanas veidus starp optoelektroniskajām mikroshēmām. Tieša savienošana: šī metode ietver divu plakanu virsmu tiešu fizisku kontaktu un savienošanu, ko parasti veicina molekulārie savienošanas spēki, siltums un spiediens. Tās priekšrocība ir vienkāršība un potenciāli ļoti zemu zudumu savienojumi, taču tai ir nepieciešamas precīzi izlīdzinātas un tīras virsmas. Šķiedras/režģa savienošana: šajā shēmā šķiedra vai šķiedru masīvs ir izlīdzināts un savienots ar fotoniskās mikroshēmas malu vai virsmu, ļaujot gaismai iekļūt mikroshēmā un iziet no tās. Režģi var izmantot arī vertikālai savienošanai, uzlabojot gaismas pārraides efektivitāti starp fotonisko mikroshēmu un ārējo šķiedru. Caurspīdīgie silīcija caurumi (TSV) un mikroizciļņi: Caurspīdīgie silīcija caurumi ir vertikāli savienojumi caur silīcija substrātu, ļaujot mikroshēmas sakraut trīs dimensijās. Apvienojumā ar mikroizliektiem punktiem tie palīdz panākt elektriskos savienojumus starp elektroniskajām un fotoniskajām mikroshēmām sakrautās konfigurācijās, kas ir piemērotas augsta blīvuma integrācijai. Optiskais starpslānis: Optiskais starpslānis ir atsevišķs substrāts, kas satur optiskos viļņvadus, kas kalpo kā starpnieks optisko signālu maršrutēšanai starp mikroshēmām. Tas nodrošina precīzu izlīdzināšanu un papildu pasīvooptiskie komponentivar integrēt, lai palielinātu savienojumu elastību. Hibrīdsavienošana: šī uzlabotā savienošanas tehnoloģija apvieno tiešo savienošanu un mikroizciļņu tehnoloģiju, lai panāktu augsta blīvuma elektriskos savienojumus starp mikroshēmām un augstas kvalitātes optiskajām saskarnēm. Tā ir īpaši daudzsološa augstas veiktspējas optoelektroniskajai kointegrācijai. Lodēšanas izciļņu savienošana: līdzīgi kā flip chip savienošana, 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 spriegums, un lai saglabātu optisko izlīdzinājumu.

1. attēls: Elektronu/fotonu mikroshēmas-mikroshēmas savienošanas shēma

Šo pieeju priekšrocības ir ievērojamas: tā kā CMOS pasaule turpina sekot Mūra likuma uzlabojumiem, būs iespējams ātri pielāgot katru CMOS vai Bi-CMOS paaudzi uz lētas silīcija fotoniskās mikroshēmas, izmantojot labāko fotonikas un elektronikas procesu priekšrocības. Tā kā fotonika parasti neprasa ļoti mazu struktūru izgatavošanu (tipiski ir atslēgu izmēri aptuveni 100 nanometri) un ierīces ir lielas, salīdzinot ar tranzistoriem, ekonomiskie apsvērumi parasti mudinās fotoniskās ierīces ražot atsevišķā procesā, atdalot tās no jebkādas progresīvas elektronikas, kas nepieciešama gala produktam.
Priekšrocības:
1. elastība: dažādus materiālus un procesus var izmantot neatkarīgi, lai sasniegtu vislabāko elektronisko un fotonisko komponentu veiktspēju.
2, procesa briedums: nobriedušu ražošanas procesu izmantošana katram komponentam var vienkāršot ražošanu un samazināt izmaksas.
3. Vienkāršāka jaunināšana un apkope: Komponentu atdalīšana ļauj vieglāk nomainīt vai jaunināt atsevišķus komponentus, neietekmējot visu sistēmu.
Izaicinājums:
1. starpsavienojumu zudums: ārpusmikroshēmas savienojums rada papildu signāla zudumu un var prasīt sarežģītas izlīdzināšanas procedūras.
2, palielināta sarežģītība un izmērs: atsevišķām sastāvdaļām ir nepieciešams papildu iepakojums un savstarpēji savienojumi, kā rezultātā rodas lielāki izmēri un, iespējams, augstākas izmaksas.
3, lielāks enerģijas patēriņš: garāki signāla ceļi un papildu iepakojums var palielināt jaudas prasības salīdzinājumā ar monolītu integrāciju.
Secinājums:
Izvēle starp monolītu un vairāku mikroshēmu integrāciju ir atkarīga no konkrētajam lietojumam noteiktajām prasībām, tostarp veiktspējas mērķiem, izmēra ierobežojumiem, izmaksu apsvērumiem un tehnoloģiju brieduma pakāpes. Neskatoties uz ražošanas sarežģītību, monolīta integrācija ir izdevīga lietojumiem, kuriem nepieciešama ārkārtēja miniaturizācija, zems enerģijas patēriņš un ātrgaitas datu pārraide. Tā vietā vairāku mikroshēmu integrācija piedāvā lielāku dizaina elastību un izmanto esošās ražošanas iespējas, padarot to piemērotu lietojumiem, kuros šie faktori atsver ciešākas integrācijas priekšrocības. Pētījumiem attīstoties, tiek pētītas arī hibrīdas pieejas, kas apvieno abu stratēģiju elementus, lai optimizētu sistēmas veiktspēju, vienlaikus mazinot ar katru pieeju saistītās problēmas.