Μέθοδος οπτοηλεκτρονικής ολοκλήρωσης

Οπτοηλεκτρονικήμέθοδος ολοκλήρωσης

Η ενσωμάτωση τουφωτονικήκαι η ηλεκτρονική αποτελούν βασικό βήμα για τη βελτίωση των δυνατοτήτων των συστημάτων επεξεργασίας πληροφοριών, επιτρέποντας ταχύτερους ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων, χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας και πιο συμπαγή σχέδια συσκευών, και ανοίγοντας τεράστιες νέες ευκαιρίες για το σχεδιασμό συστημάτων. Οι μέθοδοι ολοκλήρωσης χωρίζονται γενικά σε δύο κατηγορίες: μονολιθική ολοκλήρωση και ολοκλήρωση πολλαπλών τσιπ.

Μονολιθική ολοκλήρωση
Η μονολιθική ολοκλήρωση περιλαμβάνει την κατασκευή φωτονικών και ηλεκτρονικών εξαρτημάτων στο ίδιο υπόστρωμα, συνήθως χρησιμοποιώντας συμβατά υλικά και διαδικασίες. Αυτή η προσέγγιση επικεντρώνεται στη δημιουργία μιας απρόσκοπτης διεπαφής μεταξύ φωτός και ηλεκτρισμού μέσα σε ένα μόνο τσιπ.
Φόντα:
1. Μείωση των απωλειών διασύνδεσης: Η τοποθέτηση φωτονίων και ηλεκτρονικών εξαρτημάτων σε κοντινή απόσταση ελαχιστοποιεί τις απώλειες σήματος που σχετίζονται με συνδέσεις εκτός τσιπ.
2, Βελτιωμένη απόδοση: Η στενότερη ενσωμάτωση μπορεί να οδηγήσει σε ταχύτερες ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων λόγω μικρότερων διαδρομών σήματος και μειωμένης καθυστέρησης.
3, Μικρότερο μέγεθος: Η μονολιθική ενσωμάτωση επιτρέπει συσκευές υψηλής συμπαγούς κατασκευής, κάτι που είναι ιδιαίτερα ωφέλιμο για εφαρμογές περιορισμένου χώρου, όπως κέντρα δεδομένων ή φορητές συσκευές.
4, μείωση της κατανάλωσης ενέργειας: εξάλειψη της ανάγκης για ξεχωριστά πακέτα και διασυνδέσεις μεγάλων αποστάσεων, οι οποίες μπορούν να μειώσουν σημαντικά τις απαιτήσεις ισχύος.
Πρόκληση:
1) Συμβατότητα υλικών: Η εύρεση υλικών που υποστηρίζουν τόσο ηλεκτρόνια υψηλής ποιότητας όσο και φωτονικές λειτουργίες μπορεί να είναι δύσκολη, επειδή συχνά απαιτούν διαφορετικές ιδιότητες.
2, συμβατότητα διεργασιών: Η ενσωμάτωση των ποικίλων διεργασιών κατασκευής ηλεκτρονικών και φωτονίων στο ίδιο υπόστρωμα χωρίς να υποβαθμιστεί η απόδοση οποιουδήποτε εξαρτήματος είναι ένα πολύπλοκο έργο.
4, Σύνθετη κατασκευή: Η υψηλή ακρίβεια που απαιτείται για ηλεκτρονικές και φωτονικές δομές αυξάνει την πολυπλοκότητα και το κόστος κατασκευής.

Ενσωμάτωση πολλαπλών τσιπ
Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει μεγαλύτερη ευελιξία στην επιλογή υλικών και διαδικασιών για κάθε λειτουργία. Σε αυτήν την ενσωμάτωση, τα ηλεκτρονικά και φωτονικά εξαρτήματα προέρχονται από διαφορετικές διαδικασίες και στη συνέχεια συναρμολογούνται και τοποθετούνται σε μια κοινή συσκευασία ή υπόστρωμα (Σχήμα 1). Ας απαριθμήσουμε τώρα τους τρόπους σύνδεσης μεταξύ των οπτοηλεκτρονικών τσιπ. Άμεση σύνδεση: Αυτή η τεχνική περιλαμβάνει την άμεση φυσική επαφή και σύνδεση δύο επίπεδων επιφανειών, που συνήθως διευκολύνεται από μοριακές δυνάμεις σύνδεσης, θερμότητα και πίεση. Έχει το πλεονέκτημα της απλότητας και των δυνητικά πολύ χαμηλών απωλειών συνδέσεων, αλλά απαιτεί ακριβώς ευθυγραμμισμένες και καθαρές επιφάνειες. Σύζευξη ινών/πλέγματος: Σε αυτό το σχήμα, η ίνα ή η διάταξη ινών ευθυγραμμίζεται και συνδέεται με την άκρη ή την επιφάνεια του φωτονικού τσιπ, επιτρέποντας τη σύζευξη του φωτός μέσα και έξω από το τσιπ. Το πλέγμα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για κάθετη σύζευξη, βελτιώνοντας την απόδοση της μετάδοσης του φωτός μεταξύ του φωτονικού τσιπ και της εξωτερικής ίνας. Οπές μέσω πυριτίου (TSV) και μικρο-εξογκώματα: Οι οπές μέσω πυριτίου είναι κάθετες διασυνδέσεις μέσω ενός υποστρώματος πυριτίου, επιτρέποντας στα τσιπ να στοιβάζονται σε τρεις διαστάσεις. Σε συνδυασμό με μικροκυρτά σημεία, βοηθούν στην επίτευξη ηλεκτρικών συνδέσεων μεταξύ ηλεκτρονικών και φωτονικών τσιπ σε στοιβαγμένες διαμορφώσεις, κατάλληλες για ενσωμάτωση υψηλής πυκνότητας. Οπτικό ενδιάμεσο στρώμα: Το οπτικό ενδιάμεσο στρώμα είναι ένα ξεχωριστό υπόστρωμα που περιέχει οπτικούς κυματοδηγούς που χρησιμεύουν ως ενδιάμεσος για τη δρομολόγηση οπτικών σημάτων μεταξύ των τσιπ. Επιτρέπει την ακριβή ευθυγράμμιση και επιπλέον παθητικήοπτικά εξαρτήματαμπορούν να ενσωματωθούν για αυξημένη ευελιξία σύνδεσης. Υβριδική συγκόλληση: Αυτή η προηγμένη τεχνολογία συγκόλλησης συνδυάζει την άμεση συγκόλληση και την τεχνολογία μικρο-εξογκωμάτων για την επίτευξη ηλεκτρικών συνδέσεων υψηλής πυκνότητας μεταξύ τσιπ και οπτικών διεπαφών υψηλής ποιότητας. Είναι ιδιαίτερα πολλά υποσχόμενη για οπτοηλεκτρονική συν-ενσωμάτωση υψηλής απόδοσης. Συγκόλληση εξογκωμάτων συγκόλλησης: Όπως και με τη συγκόλληση με αναδιπλούμενο τσιπ, οι εξογκώματα συγκόλλησης χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ηλεκτρικών συνδέσεων. Ωστόσο, στο πλαίσιο της οπτοηλεκτρονικής ολοκλήρωσης, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στην αποφυγή ζημιών στα φωτονικά εξαρτήματα που προκαλούνται από θερμική καταπόνηση και στη διατήρηση της οπτικής ευθυγράμμισης.

Σχήμα 1: : Σχήμα σύνδεσης ηλεκτρονίων/φωτονίων από τσιπ σε τσιπ

Τα οφέλη αυτών των προσεγγίσεων είναι σημαντικά: Καθώς ο κόσμος των CMOS συνεχίζει να ακολουθεί τις βελτιώσεις στον Νόμο του Moore, θα είναι δυνατή η γρήγορη προσαρμογή κάθε γενιάς CMOS ή Bi-CMOS σε ένα φθηνό φωτονικό τσιπ πυριτίου, αποκομίζοντας τα οφέλη των καλύτερων διαδικασιών στη φωτονική και την ηλεκτρονική. Επειδή η φωτονική γενικά δεν απαιτεί την κατασκευή πολύ μικρών δομών (μεγέθη κλειδιών περίπου 100 νανόμετρα είναι τυπικά) και οι συσκευές είναι μεγάλες σε σύγκριση με τα τρανζίστορ, οι οικονομικοί παράγοντες θα τείνουν να ωθούν τις φωτονικές συσκευές να κατασκευάζονται σε ξεχωριστή διαδικασία, ξεχωριστά από οποιαδήποτε προηγμένη ηλεκτρονική που απαιτείται για το τελικό προϊόν.
Φόντα:
1, ευελιξία: Διαφορετικά υλικά και διαδικασίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανεξάρτητα για να επιτευχθεί η καλύτερη απόδοση των ηλεκτρονικών και φωτονικών εξαρτημάτων.
2, ωριμότητα διεργασίας: η χρήση ώριμων διαδικασιών παραγωγής για κάθε εξάρτημα μπορεί να απλοποιήσει την παραγωγή και να μειώσει το κόστος.
3, Ευκολότερη αναβάθμιση και συντήρηση: Ο διαχωρισμός των εξαρτημάτων επιτρέπει την εύκολη αντικατάσταση ή αναβάθμιση μεμονωμένων εξαρτημάτων χωρίς να επηρεάζεται ολόκληρο το σύστημα.
Πρόκληση:
1, απώλεια διασύνδεσης: Η σύνδεση εκτός τσιπ εισάγει πρόσθετη απώλεια σήματος και ενδέχεται να απαιτεί πολύπλοκες διαδικασίες ευθυγράμμισης.
2, αυξημένη πολυπλοκότητα και μέγεθος: Τα μεμονωμένα εξαρτήματα απαιτούν πρόσθετη συσκευασία και διασυνδέσεις, με αποτέλεσμα μεγαλύτερα μεγέθη και ενδεχομένως υψηλότερο κόστος.
3, υψηλότερη κατανάλωση ενέργειας: Οι μεγαλύτερες διαδρομές σήματος και η πρόσθετη συσκευασία ενδέχεται να αυξήσουν τις απαιτήσεις ισχύος σε σύγκριση με την μονολιθική ενσωμάτωση.
Σύναψη:
Η επιλογή μεταξύ μονολιθικής και πολυτσιπ ενσωμάτωσης εξαρτάται από τις απαιτήσεις της κάθε εφαρμογής, συμπεριλαμβανομένων των στόχων απόδοσης, των περιορισμών μεγέθους, των παραγόντων κόστους και της τεχνολογικής ωριμότητας. Παρά την πολυπλοκότητα της κατασκευής, η μονολιθική ενσωμάτωση είναι πλεονεκτική για εφαρμογές που απαιτούν ακραία σμίκρυνση, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και μετάδοση δεδομένων υψηλής ταχύτητας. Αντίθετα, η πολυτσιπ ενσωμάτωση προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία σχεδιασμού και αξιοποιεί τις υπάρχουσες δυνατότητες κατασκευής, καθιστώντας την κατάλληλη για εφαρμογές όπου αυτοί οι παράγοντες υπερτερούν των πλεονεκτημάτων της στενότερης ενσωμάτωσης. Καθώς η έρευνα προχωρά, διερευνώνται επίσης υβριδικές προσεγγίσεις που συνδυάζουν στοιχεία και των δύο στρατηγικών για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης του συστήματος, μετριάζοντας παράλληλα τις προκλήσεις που σχετίζονται με κάθε προσέγγιση.