Metoda de integrare optoelectronică

OptoelectronicMetoda de integrare

IntegrareaFotonicăȘi electronica este un pas esențial în îmbunătățirea capacităților sistemelor de procesare a informațiilor, permiterea ratelor de transfer de date mai rapide, a consumului de energie mai mic și a proiectărilor de dispozitive mai compacte și deschiderea de noi oportunități uriașe pentru proiectarea sistemului. Metodele de integrare sunt, în general, împărțite în două categorii: integrarea monolitică și integrarea multi-chip.

Integrare monolitică
Integrarea monolitică implică fabricarea componentelor fotonice și electronice pe același substrat, de obicei folosind materiale și procese compatibile. Această abordare se concentrează pe crearea unei interfețe perfecte între lumină și electricitate într -un singur cip.
Avantaje:
1. Reduceți pierderile de interconectare: Plasarea fototonilor și a componentelor electronice în apropiere minimizează pierderile de semnal asociate cu conexiunile off-chip.
2, performanță îmbunătățită: integrarea mai strânsă poate duce la viteze mai rapide de transfer de date din cauza căilor de semnal mai scurte și a latenței reduse.
3, Dimensiune mai mică: Integrarea monolitică permite dispozitive extrem de compacte, ceea ce este deosebit de benefic pentru aplicațiile limitate în spațiu, cum ar fi centrele de date sau dispozitivele portabile.
4, reduceți consumul de energie: eliminați nevoia de pachete separate și interconectări pe distanțe lungi, ceea ce poate reduce semnificativ cerințele de energie.
Provocare:
1) Compatibilitatea materialelor: găsirea de materiale care susțin atât electroni de înaltă calitate, cât și funcții fotonice poate fi dificilă, deoarece acestea necesită adesea proprietăți diferite.
2, Compatibilitatea proceselor: integrarea diverselor procese de fabricație ale electronicelor și fototonilor pe același substrat fără a degrada performanța oricărei componente este o sarcină complexă.
4, Fabricare complexă: Precizia ridicată necesară pentru structurile electronice și fotononice crește complexitatea și costul fabricației.

Integrare cu mai multe cipuri
Această abordare permite o mai mare flexibilitate în selectarea materialelor și proceselor pentru fiecare funcție. În această integrare, componentele electronice și fotonice provin din diferite procese și sunt apoi asamblate împreună și plasate pe un pachet sau substrat comun (Figura 1). Acum să enumerăm modurile de legătură între cipurile optoelectronice. Lipire directă: Această tehnică implică contactul fizic direct și legarea a două suprafețe plane, de obicei facilitate de forțele de legare moleculare, căldură și presiune. Are avantajul simplității și a conexiunilor cu pierderi foarte mici, dar necesită suprafețe aliniate și curate precis. Cuplarea cu fibre/grătare: În această schemă, tabloul de fibre sau fibre este aliniat și legat la marginea sau suprafața cipului fotonic, permițând cuplarea luminii în și în afara cipului. Grătarul poate fi utilizat și pentru cuplarea verticală, îmbunătățind eficiența transmiterii luminii între cipul fotonic și fibra externă. Găurile de silicon (TSV) și micro-bump-uri: găurile prin-silicon sunt interconectări verticale printr-un substrat de siliciu, permițând stivuirii jetoanelor în trei dimensiuni. Combinate cu punctele micro-convexe, acestea ajută la realizarea conexiunilor electrice între cipurile electronice și cele fotonice în configurațiile stivuite, potrivite pentru integrarea de înaltă densitate. Strat intermediar optic: stratul intermediar optic este un substrat separat care conține ghiduri de undă optice care servesc ca intermediar pentru rutarea semnalelor optice între cipuri. Permite alinierea precisă și pasiv suplimentarComponente opticePoate fi integrat pentru o flexibilitate sporită a conexiunii. Legătură hibridă: Această tehnologie avansată de legătură combină tehnologia de legătură directă și micro-bump pentru a realiza conexiuni electrice de înaltă densitate între cipuri și interfețe optice de înaltă calitate. Este deosebit de promițător pentru co-integrarea optoelectronică de înaltă performanță. Lipirea de bump de lipit: similar cu legătura cu cipuri flip, denivelările de lipit sunt utilizate pentru a crea conexiuni electrice. Cu toate acestea, în contextul integrării optoelectronice, trebuie acordată o atenție specială pentru a evita deteriorarea componentelor fotonice cauzate de stresul termic și menținerea alinierii optice.

Figura 1 :: Schema de legare a cipului de cip la cipuri electron/fotoni

Beneficiile acestor abordări sunt semnificative: întrucât lumea CMOS continuă să urmeze îmbunătățiri ale legii lui Moore, va fi posibilă adaptarea rapidă a fiecărei generații de CMOS sau Bi-CMOS pe un cip fotonic de siliciu ieftin, profitând beneficiile celor mai bune procese din fotonică și electronică. Deoarece fotonica, în general, nu necesită fabricarea unor structuri foarte mici (dimensiunile cheie de aproximativ 100 de nanometri sunt tipice), iar dispozitivele sunt mari în comparație cu tranzistoarele, considerațiile economice vor tinde să împingă dispozitivele fotonice pentru a fi fabricate într -un proces separat, separate de orice electronică avansată necesare produsului final.
Avantaje:
1, Flexibilitate: Diferite materiale și procese pot fi utilizate independent pentru a obține cele mai bune performanțe ale componentelor electronice și fotonice.
2, Maturitatea procesului: Utilizarea proceselor de fabricație matură pentru fiecare componentă poate simplifica producția și poate reduce costurile.
3, Upgrade și întreținere mai ușoară: Separarea componentelor permite înlocuirea sau modernizarea componentelor individuale mai ușor, fără a afecta întregul sistem.
Provocare:
1, Pierdere de interconectare: conexiunea off-chip introduce pierderi suplimentare de semnal și poate necesita proceduri complexe de aliniere.
2, Complexitate și dimensiune crescută: Componentele individuale necesită ambalaje și interconectări suplimentare, ceea ce duce la dimensiuni mai mari și costuri potențial mai mari.
3, Consum de energie mai mare: Căile de semnal mai lungi și ambalajele suplimentare pot crește cerințele de putere în comparație cu integrarea monolitică.
Concluzie:
Alegerea între integrarea monolitică și multi-cip depinde de cerințele specifice aplicației, inclusiv obiectivele de performanță, constrângerile de mărime, considerațiile costurilor și maturitatea tehnologiei. În ciuda complexității producției, integrarea monolitică este avantajoasă pentru aplicațiile care necesită miniaturizare extremă, consum redus de energie și transmitere de date de mare viteză. În schimb, integrarea multi-chip oferă o mai mare flexibilitate a proiectării și utilizează capacitățile de fabricație existente, ceea ce o face potrivită pentru aplicații în care acești factori depășesc beneficiile unei integrări mai strânse. Pe măsură ce cercetarea progresează, abordările hibride care combină elemente din ambele strategii sunt, de asemenea, explorate pentru a optimiza performanța sistemului, atenuând în același timp provocările asociate fiecărei abordări.