Opto -elektronischintegratiemethode
De integratie vanfotonicaEn Electronics is een belangrijke stap bij het verbeteren van de mogelijkheden van informatieverwerkingssystemen, waardoor snellere gegevensoverdrachtssnelheden, lager stroomverbruik en meer compacte apparaatontwerpen mogelijk worden en enorme nieuwe mogelijkheden voor systeemontwerp worden geopend. Integratiemethoden zijn over het algemeen onderverdeeld in twee categorieën: monolithische integratie en multi-chip-integratie.
Monolithische integratie
Monolithische integratie omvat de productie van fotonische en elektronische componenten op hetzelfde substraat, meestal met behulp van compatibele materialen en processen. Deze aanpak richt zich op het creëren van een naadloze interface tussen licht en elektriciteit binnen een enkele chip.
Voordelen:
1. Verminder interconnectieverliezen: het plaatsen van fotonen en elektronische componenten in nauwe nabijheid minimaliseert signaalverliezen geassocieerd met off-chip verbindingen.
2, Verbeterde prestaties: strakkere integratie kan leiden tot hogere gegevensoverdrachtssnelheden vanwege kortere signaalpaden en verminderde latentie.
3, Kleinere maat: monolithische integratie zorgt voor zeer compacte apparaten, die met name gunstig zijn voor ruimtelijke toepassingen, zoals datacenters of handheld-apparaten.
4, Verminder het stroomverbruik: elimineer de behoefte aan afzonderlijke pakketten en langeafstand tussen overeenkomsten, die de vermogensvereisten aanzienlijk kunnen verminderen.
Uitdaging:
1) Materiaalcompatibiliteit: het vinden van materialen die zowel hoogwaardige elektronen als fotonische functies ondersteunen, kunnen een uitdaging zijn omdat ze vaak verschillende eigenschappen vereisen.
2, Procescompatibiliteit: integratie van de diverse productieprocessen van elektronica en fotonen op hetzelfde substraat zonder de prestaties van een component af te breken zijn een complexe taak.
4, Complexe productie: de hoge precisie die nodig is voor elektronische en fotononische structuren verhoogt de complexiteit en de productiekosten.
Multi-chip integratie
Deze aanpak zorgt voor een grotere flexibiliteit bij het selecteren van materialen en processen voor elke functie. In deze integratie komen de elektronische en fotonische componenten uit verschillende processen en worden vervolgens samengesteld en op een gemeenschappelijk pakket of substraat geplaatst (figuur 1). Laten we nu de bindingsmodi tussen opto -elektronische chips vermelden. Directe binding: deze techniek omvat het directe fysieke contact en de binding van twee vlakke oppervlakken, meestal vergemakkelijkt door moleculaire bindingskrachten, warmte en druk. Het heeft het voordeel van eenvoud en mogelijk zeer lage verliesverbindingen, maar vereist precies uitgelijnde en schone oppervlakken. Vezel/roosterkoppeling: in dit schema is de vezel- of vezelarray uitgelijnd en gebonden aan de rand of het oppervlak van de fotonische chip, waardoor licht in en uit de chip kan worden gekoppeld. Het rooster kan ook worden gebruikt voor verticale koppeling, waardoor de efficiëntie van de transmissie van het licht tussen de fotonische chip en de externe vezel wordt verbeterd. Door silicium gaten (TSV's) en micro-bumps: door-siliciumgaten zijn verticale onderlinge verbindingen door een siliconensubstraat, waardoor de chips in drie dimensies kunnen worden gestapeld. Gecombineerd met micro-convexe punten, helpen ze om elektrische verbindingen te bereiken tussen elektronische en fotonische chips in gestapelde configuraties, geschikt voor integratie met hoge dichtheid. Optische intermediaire laag: de optische intermediaire laag is een afzonderlijk substraat dat optische golfgeleiders bevat die dienen als een intermediair voor het routeren van optische signalen tussen chips. Het zorgt voor nauwkeurige afstemming en extra passiefoptische componentenkan worden geïntegreerd voor verhoogde verbindingsflexibiliteit. Hybride binding: deze geavanceerde bindingstechnologie combineert directe binding en micro-bump-technologie om elektrische verbindingen met hoge dichtheid tussen chips en optische interfaces van hoge kwaliteit te bereiken. Het is vooral veelbelovend voor krachtige opto-elektronische co-integratie. Soldeer bult binding: vergelijkbaar met flip -chip -binding, worden soldeerbultjes gebruikt om elektrische verbindingen te creëren. In de context van opto -elektronische integratie moet echter speciale aandacht worden besteed aan het voorkomen van schade aan fotonische componenten veroorzaakt door thermische stress en het handhaven van optische uitlijning.
Figuur 1 :: Elektronen/fotonchip-tot-chip bindingsschema
De voordelen van deze benaderingen zijn aanzienlijk: omdat de CMOS-wereld verbeteringen in de wet van Moore blijft volgen, zal het mogelijk zijn om elke generatie CMO's of BI-CMO's snel aan te passen aan een goedkope siliciumfotonische chip, waardoor de voordelen van de beste processen in fotonica en elektronica worden geplukt. Omdat fotonica over het algemeen niet de fabricage van zeer kleine structuren vereist (sleutelgroottes van ongeveer 100 nanometers zijn typisch) en apparaten zijn groot in vergelijking met transistoren, zullen economische overwegingen de neiging hebben om fotonische apparaten in een apart proces te vervaardigen, gescheiden van alle gevorderde elektronica die nodig is voor het eindproduct.
Voordelen:
1, flexibiliteit: verschillende materialen en processen kunnen onafhankelijk worden gebruikt om de beste prestaties van elektronische en fotonische componenten te bereiken.
2, Process Maturity: het gebruik van volwassen productieprocessen voor elke component kan de productie vereenvoudigen en de kosten verlagen.
3, Eenvoudig upgrade en onderhoud: de scheiding van componenten maakt het mogelijk om individuele componenten gemakkelijker te vervangen of te upgraden zonder het hele systeem te beïnvloeden.
Uitdaging:
1, Interconnectieverlies: de off-chipverbinding introduceert extra signaalverlies en kan complexe uitlijningsprocedures vereisen.
2, Verhoogde complexiteit en grootte: individuele componenten vereisen extra verpakkingen en verbindingen, wat resulteert in grotere maten en mogelijk hogere kosten.
3, Hoger stroomverbruik: langere signaalpaden en extra verpakkingen kunnen de stroomvereisten vergroten in vergelijking met monolithische integratie.
Conclusie:
Het kiezen tussen monolithische en multi-chip-integratie hangt af van applicatiespecifieke vereisten, inclusief prestatiedoelen, groottebeperkingen, kostenoverwegingen en technologische volwassenheid. Ondanks de productiecomplexiteit is monolithische integratie voordelig voor toepassingen die extreme miniaturisatie, laag stroomverbruik en snelle gegevensoverdracht vereisen. In plaats daarvan biedt multi-chip-integratie een grotere ontwerpflexibiliteit en gebruikt hij bestaande productiemogelijkheden, waardoor het geschikt is voor toepassingen waarbij deze factoren opwegen tegen de voordelen van een strengere integratie. Naarmate het onderzoek vordert, worden hybride benaderingen die elementen van beide strategieën combineren ook onderzocht om de systeemprestaties te optimaliseren en tegelijkertijd de uitdagingen die bij elke aanpak verbonden te zijn te verminderen.
Posttijd: JUL-08-2024