Метод на оптоелектронна интеграция

Оптоелектронниинтеграционен метод

Интегрирането нафотоникаи електрониката е ключова стъпка в подобряването на възможностите на системите за обработка на информация, позволявайки по-бързи скорости на трансфер на данни, по-ниска консумация на енергия и по-компактни дизайни на устройства и отваряйки огромни нови възможности за системен дизайн. Методите за интегриране обикновено се разделят на две категории: монолитна интеграция и многочипова интеграция.

Монолитна интеграция
Монолитната интеграция включва производство на фотонни и електронни компоненти върху една и съща подложка, като обикновено се използват съвместими материали и процеси. Този подход се фокусира върху създаването на безпроблемен интерфейс между светлина и електричество в рамките на един чип.
Предимства:
1. Намалете загубите при взаимно свързване: Поставянето на фотони и електронни компоненти в непосредствена близост минимизира загубите на сигнал, свързани с връзките извън чипа.
2, Подобрена производителност: По-тясната интеграция може да доведе до по-високи скорости на трансфер на данни поради по-късите пътища на сигнала и намаленото забавяне.
3, По-малък размер: Монолитната интеграция позволява изключително компактни устройства, което е особено полезно за приложения с ограничено пространство, като центрове за данни или преносими устройства.
4, намалете консумацията на енергия: елиминирайте необходимостта от отделни пакети и междусистемни връзки на дълги разстояния, което може значително да намали изискванията за мощност.
Предизвикателство:
1) Съвместимост на материалите: Намирането на материали, които поддържат както висококачествени електрони, така и фотонни функции, може да бъде предизвикателство, тъй като те често изискват различни свойства.
2, съвместимост на процесите: Интегрирането на различни производствени процеси на електроника и фотони върху един и същ субстрат без влошаване на производителността на който и да е компонент е сложна задача.
4, Сложно производство: Високата прецизност, необходима за електронни и фотононни структури, увеличава сложността и цената на производството.

Многочипова интеграция
Този подход позволява по-голяма гъвкавост при избора на материали и процеси за всяка функция. При тази интеграция електронните и фотонните компоненти идват от различни процеси и след това се сглобяват заедно и се поставят върху обща опаковка или субстрат (Фигура 1). Сега нека изброим режимите на свързване между оптоелектронни чипове. Директно свързване: Тази техника включва директен физически контакт и свързване на две равнинни повърхности, обикновено улеснено от сили на молекулярно свързване, топлина и налягане. Той има предимството на опростени и потенциално много ниски загуби на връзки, но изисква прецизно подравнени и чисти повърхности. Свързване влакно/решетка: В тази схема влакното или масивът от влакна са подравнени и свързани към ръба или повърхността на фотонния чип, което позволява на светлината да се свързва в и извън чипа. Решетката може да се използва и за вертикално свързване, подобрявайки ефективността на предаване на светлина между фотонния чип и външното влакно. Проходни силициеви отвори (TSVs) и микро-неравности: Проходните силициеви отвори са вертикални връзки през силиконов субстрат, позволяващи чиповете да бъдат подредени в три измерения. Комбинирани с микроизпъкнали точки, те помагат за постигане на електрически връзки между електронни и фотонни чипове в подредени конфигурации, подходящи за интеграция с висока плътност. Оптичен междинен слой: Оптичният междинен слой е отделен субстрат, съдържащ оптични вълноводи, които служат като посредник за маршрутизиране на оптични сигнали между чипове. Позволява прецизно подравняване и допълнителна пасивностоптични компонентимогат да бъдат интегрирани за повишена гъвкавост на връзката. Хибридно свързване: Тази усъвършенствана технология за свързване съчетава директно свързване и микро-бумп технология за постигане на електрически връзки с висока плътност между чипове и висококачествени оптични интерфейси. Това е особено обещаващо за високоефективна оптоелектронна коинтеграция. Свързване чрез запояване: Подобно на свързването на флип чипове, запояването се използва за създаване на електрически връзки. Въпреки това, в контекста на оптоелектронната интеграция, трябва да се обърне специално внимание на избягването на увреждане на фотонни компоненти, причинено от термичен стрес и поддържане на оптично подравняване.

Фигура 1: : Схема на свързване на електрон/фотон чип към чип

Ползите от тези подходи са значителни: тъй като светът на CMOS продължава да следва подобренията в закона на Мур, ще бъде възможно бързо да се адаптира всяко поколение CMOS или Bi-CMOS към евтин силициев фотонен чип, извличайки предимствата на най-добрите процеси в фотоника и електроника. Тъй като фотониката обикновено не изисква производството на много малки структури (типични са размери на ключове от около 100 нанометра) и устройствата са големи в сравнение с транзисторите, икономическите съображения ще настояват фотонните устройства да се произвеждат в отделен процес, отделен от всички напреднали електроника, необходима за крайния продукт.
Предимства:
1, гъвкавост: различни материали и процеси могат да се използват независимо за постигане на най-добра производителност на електронни и фотонни компоненти.
2, зрялост на процеса: използването на зрели производствени процеси за всеки компонент може да опрости производството и да намали разходите.
3, По-лесно надграждане и поддръжка: Разделянето на компонентите позволява отделните компоненти да бъдат заменени или надстроени по-лесно, без да се засяга цялата система.
Предизвикателство:
1, загуба на взаимно свързване: Връзката извън чипа въвежда допълнителна загуба на сигнал и може да изисква сложни процедури за подравняване.
2, повишена сложност и размер: Отделните компоненти изискват допълнително опаковане и взаимовръзки, което води до по-големи размери и потенциално по-високи разходи.
3, по-висока консумация на енергия: По-дългите пътища на сигнала и допълнителните опаковки могат да увеличат изискванията за мощност в сравнение с монолитната интеграция.
Заключение:
Изборът между монолитна и многочипова интеграция зависи от специфичните за приложението изисквания, включително цели за производителност, ограничения на размера, съображения за цена и зрялост на технологията. Въпреки сложността на производството, монолитната интеграция е предимство за приложения, които изискват изключителна миниатюризация, ниска консумация на енергия и високоскоростно предаване на данни. Вместо това многочиповата интеграция предлага по-голяма гъвкавост на дизайна и използва съществуващите производствени възможности, което я прави подходяща за приложения, където тези фактори надвишават ползите от по-тясна интеграция. С напредването на изследванията се изследват и хибридни подходи, които комбинират елементи от двете стратегии, за да се оптимизира производителността на системата, като същевременно се смекчат предизвикателствата, свързани с всеки подход.