Оптоелектронниметод на интегриране
Интеграцията нафотоникаи електрониката е ключова стъпка в подобряването на възможностите на системите за обработка на информация, позволявайки по-бързи скорости на пренос на данни, по-ниска консумация на енергия и по-компактни дизайни на устройства, и откривайки огромни нови възможности за системен дизайн. Методите за интеграция обикновено се разделят на две категории: монолитна интеграция и многочипова интеграция.
Монолитна интеграция
Монолитна интеграция включва производство на фотонни и електронни компоненти върху един и същ субстрат, обикновено с помощта на съвместими материали и процеси. Този подход се фокусира върху създаването на безпроблемен интерфейс между светлина и електричество в рамките на един чип.
Предимства:
1. Намаляване на загубите от взаимосвързване: 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-бързи скорости на пренос на данни поради по-къси пътища на сигнала и намалена латентност.
3, По-малък размер: Монолитната интеграция позволява изключително компактни устройства, което е особено полезно за приложения с ограничено пространство, като например центрове за данни или преносими устройства.
4, намаляване на консумацията на енергия: елиминиране на необходимостта от отделни пакети и междукръгови връзки на дълги разстояния, което може значително да намали изискванията за захранване.
Предизвикателство:
1) Съвместимост на материалите: Намирането на материали, които поддържат едновременно висококачествени електрони и фотонни функции, може да бъде предизвикателство, тъй като те често изискват различни свойства.
2, съвместимост на процесите: Интегрирането на разнообразните производствени процеси на електроника и фотони върху един и същ субстрат, без да се влошава производителността на който и да е компонент, е сложна задача.
4, Сложно производство: Високата прецизност, необходима за електронните и фотонните 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 общ корпус или субстрат (Фигура 1). Сега нека изброим режимите на свързване между оптоелектронните чипове. Директно свързване: Тази техника включва директен физически контакт и свързване на две равнинни повърхности, обикновено улеснено от молекулярни сили на свързване, топлина и налягане. Тя има предимството на простота 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 светлината да се свързва във и извън чипа. Решетката може да се използва и за вертикално свързване, подобрявайки ефективността на предаването на светлина между фотонния чип и външното влакно. Отвори през силиций (TSV) и микро-издатини: Отворите през силиций са вертикални връзки през силициев субстрат, позволяващи чиповете да бъдат подредени в три измерения. В комбинация с микроизпъкнали точки, те спомагат 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 насочване на оптични сигнали между чиповете. Той позволява прецизно подравняване и допълнителна пасивна...оптични компонентимогат да бъдат интегрирани за повишена гъвкавост на свързването. Хибридно свързване: Тази усъвършенствана технология за свързване комбинира директно свързване и микро-ударна технология, за да постигне електрически връзки с висока плътност между чипове и висококачествени оптични интерфейси. Тя е особено обещаваща за високоефективна оптоелектронна коинтеграция. Спояващо уплътнение: Подобно на свързването с обръщане на чипове, спояващите уплътнения се използват за създаване на електрически връзки. В контекста на оптоелектронната интеграция обаче трябва да се обърне специално внимание на избягването на повреди на фотонните компоненти, причинени от термично напрежение, и поддържането на оптичното подравняване.
Фигура 1: Схема на свързване електрон/фотон чип-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 върху евтин силициев фотонен чип, възползвайки се от най-добрите процеси във фотониката и електрониката. Тъй като фотониката обикновено не изисква производството на много малки структури (типичните размери на ключовете са около 100 нанометра) и устройствата са големи в сравнение с транзисторите, икономическите съображения ще налагат фотонните устройства да се произвеждат в отделен процес, отделен от всякаква усъвършенствана електроника, необходима за крайния продукт.
Предимства:
1, гъвкавост: Различни материали и процеси могат да се използват независимо, за да се постигне най-добра производителност на електронните и фотонните 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 по-лесната подмяна или надграждане на отделни компоненти, без това да засяга цялата система.
Предизвикателство:
1, загуба на взаимосвързване: Връзката извън чипа води до 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 сигнални пътища и допълнителното опаковане могат да увеличат изискванията за мощност в сравнение с монолитната интеграция.
Заключение:
Изборът между монолитна и многочипова интеграция зависи от специфичните изисквания на приложението, включително цели за производителност, ограничения на размера, съображения за цена и зрялост на технологиите. 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-тясната интеграция. С напредването на изследванията се проучват 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.
Време на публикуване: 08 юли 2024 г.