Μέθοδος οπτοηλεκτρονικής ολοκλήρωσης

Οπτικοηλεκτρονικήμέθοδος ολοκλήρωσης

Η ενσωμάτωση τωνφωτονικήκαι ηλεκτρονικά είναι ένα βασικό βήμα για τη βελτίωση των δυνατοτήτων των συστημάτων επεξεργασίας πληροφοριών, επιτρέποντας ταχύτερους ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων, χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας και πιο συμπαγείς σχεδιασμούς συσκευών και ανοίγοντας τεράστιες νέες ευκαιρίες για το σχεδιασμό του συστήματος. Οι μέθοδοι ολοκλήρωσης χωρίζονται γενικά σε δύο κατηγορίες: μονολιθική ολοκλήρωση και ενσωμάτωση 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 εστιάζει στη δημιουργία μιας απρόσκοπτης διεπαφής μεταξύ φωτός και ηλεκτρικής ενέργειας μέσα σε ένα μόνο τσιπ.
Φόντα:
1. Μειώστε τις απώλειες διασύνδεσης: Η τοποθέτηση φωτονίων και ηλεκτρονικών εξαρτημάτων σε κοντινή απόσταση ελαχιστοποιεί τις απώλειες σήματος που σχετίζονται με συνδέσεις εκτός τσιπ.
2, Βελτιωμένη απόδοση: Η αυστηρότερη ενσωμάτωση μπορεί να οδηγήσει σε μεγαλύτερες ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων λόγω μικρότερων διαδρομών σήματος και μειωμένης καθυστέρησης.
3, Μικρότερο μέγεθος: Η μονολιθική ενσωμάτωση επιτρέπει συσκευές εξαιρετικά συμπαγείς, κάτι που είναι ιδιαίτερα ωφέλιμο για εφαρμογές περιορισμένου χώρου, όπως κέντρα δεδομένων ή φορητές συσκευές.
4, μειώστε την κατανάλωση ενέργειας: εξαλείψτε την ανάγκη 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 συναρτήσεις μπορεί να είναι δύσκολη επειδή συχνά απαιτούν διαφορετικές ιδιότητες.
2, συμβατότητα διεργασιών: Η ενσωμάτωση των διαφορετικών διαδικασιών παραγωγής ηλεκτρονικών και φωτονίων στο ίδιο υπόστρωμα χωρίς να υποβαθμίζεται η απόδοση οποιουδήποτε εξαρτήματος είναι μια πολύπλοκη εργασία.
4, Σύνθετη κατασκευή: Η υψηλή ακρίβεια που απαιτείται για ηλεκτρονικές και φωτονονικές 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 αυτή την ολοκλήρωση, τα ηλεκτρονικά και φωτονικά στοιχεία προέρχονται από διαφορετικές διεργασίες και στη συνέχεια συναρμολογούνται μαζί και τοποθετούνται σε μια κοινή συσκευασία ή υπόστρωμα (Εικόνα 1). Τώρα ας απαριθμήσουμε τους τρόπους σύνδεσης μεταξύ οπτοηλεκτρονικών τσιπ. Άμεσος δεσμός: Αυτή η τεχνική περιλαμβάνει την άμεση φυσική επαφή και τη σύνδεση δύο επίπεδων επιφανειών, που συνήθως διευκολύνονται από δυνάμεις μοριακών δεσμών, θερμότητα και πίεση. Έχει το πλεονέκτημα της απλότητας και των δυνητικά πολύ χαμηλών απωλειών συνδέσεων, αλλά απαιτεί επακριβώς ευθυγραμμισμένες και καθαρές επιφάνειες. Σύζευξη ινών/εσχάρας: Σε αυτό το σχήμα, η συστοιχία ινών ή ινών είναι ευθυγραμμισμένη και συνδεδεμένη 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 φωτός μεταξύ του φωτονικού τσιπ και της εξωτερικής ίνας. Τρύπες από πυρίτιο (TSV) και μικρο-εξογκώματα: Οι τρύπες διέλευσης 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 ενδιάμεσοι για τη δρομολόγηση οπτικών σημάτων μεταξύ των τσιπ. Επιτρέπει την ακριβή ευθυγράμμιση και επιπλέον παθητικόοπτικά εξαρτήματαμπορεί να ενσωματωθεί για αυξημένη ευελιξία σύνδεσης. Υβριδική συγκόλληση: Αυτή η προηγμένη τεχνολογία συγκόλλησης συνδυάζει την τεχνολογία άμεσης συγκόλλησης και την τεχνολογία micro-bump για την επίτευξη ηλεκτρικών συνδέσεων υψηλής πυκνότητας μεταξύ τσιπ και οπτικών διεπαφών υψηλής ποιότητας. Είναι ιδιαίτερα υποσχόμενο για οπτοηλεκτρονική συνενσωμάτωση υψηλής απόδοσης. Συγκόλληση με εξογκώματα συγκόλλησης: Παρόμοια με τη συγκόλληση με αναδιπλούμενο τσιπ, τα εξογκώματα συγκόλλησης χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ηλεκτρικών συνδέσεων. Ωστόσο, στο πλαίσιο της οπτοηλεκτρονικής ολοκλήρωσης, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στην αποφυγή ζημιών σε φωτονικά συστατικά που προκαλούνται από θερμική καταπόνηση και στη διατήρηση της οπτικής ευθυγράμμισης.

Σχήμα 1: : Σχήμα σύνδεσης τσιπ-τσιπ ηλεκτρονίων/φωτονίου

Τα οφέλη αυτών των προσεγγίσεων είναι σημαντικά: Καθώς ο κόσμος CMOS συνεχίζει να ακολουθεί τις βελτιώσεις στον νόμο του Moore, θα είναι δυνατό να προσαρμοστεί γρήγορα κάθε γενιά CMOS ή Bi-CMOS σε ένα φτηνό φωτονικό τσιπ πυριτίου, αποκομίζοντας τα οφέλη των καλύτερων διαδικασιών σε φωτονική και ηλεκτρονική. Επειδή η φωτονική γενικά δεν απαιτεί την κατασκευή πολύ μικρών δομών (τα βασικά μεγέθη περίπου 100 νανόμετρων είναι τυπικά) και οι συσκευές είναι μεγάλες σε σύγκριση με τα τρανζίστορ, οι οικονομικοί παράγοντες θα τείνουν να ωθήσουν τις φωτονικές συσκευές να κατασκευαστούν σε ξεχωριστή διαδικασία, διαχωρισμένη από οποιαδήποτε προηγμένη ηλεκτρονικά που απαιτούνται για το τελικό προϊόν.
Φόντα:
1, ευελιξία: Διαφορετικά υλικά και διαδικασίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανεξάρτητα για την επίτευξη της καλύτερης απόδοσης ηλεκτρονικών και φωτονικών εξαρτημάτων.
2, ωριμότητα διαδικασίας: η χρήση ώριμων διαδικασιών παραγωγής για κάθε συστατικό μπορεί να απλοποιήσει την παραγωγή και να μειώσει το κόστος.
3, Ευκολότερη αναβάθμιση και συντήρηση: Ο διαχωρισμός των εξαρτημάτων επιτρέπει την αντικατάσταση ή την αναβάθμιση μεμονωμένων στοιχείων πιο εύκολα χωρίς να επηρεάζεται ολόκληρο το σύστημα.
Πρόκληση:
1, απώλεια διασύνδεσης: Η σύνδεση εκτός τσιπ εισάγει πρόσθετη απώλεια σήματος και μπορεί να απαιτήσει πολύπλοκες διαδικασίες ευθυγράμμισης.
2, αυξημένη πολυπλοκότητα και μέγεθος: Τα μεμονωμένα εξαρτήματα απαιτούν πρόσθετη συσκευασία και διασυνδέσεις, με αποτέλεσμα μεγαλύτερα μεγέθη και δυνητικά υψηλότερο κόστος.
3, υψηλότερη κατανάλωση ενέργειας: Οι μεγαλύτερες διαδρομές σήματος και η πρόσθετη συσκευασία ενδέχεται να αυξήσουν τις απαιτήσεις ισχύος σε σύγκριση με τη μονολιθική ενσωμάτωση.
Σύναψη:
Η επιλογή μεταξύ μονολιθικής και ενσωμάτωσης πολλαπλών τσιπ εξαρτάται από συγκεκριμένες απαιτήσεις για την εφαρμογή, συμπεριλαμβανομένων των στόχων απόδοσης, των περιορισμών μεγέθους, του κόστους και της ωριμότητας της τεχνολογίας. Παρά την πολυπλοκότητα της κατασκευής, η μονολιθική ενοποίηση είναι πλεονεκτική για εφαρμογές που απαιτούν ακραία σμίκρυνση, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και μετάδοση δεδομένων υψηλής ταχύτητας. Αντίθετα, η ενοποίηση πολλαπλών τσιπ προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία σχεδιασμού και αξιοποιεί τις υπάρχουσες κατασκευαστικές δυνατότητες, καθιστώντας την κατάλληλη για εφαρμογές όπου αυτοί οι παράγοντες υπερτερούν των πλεονεκτημάτων της στενότερης ενοποίησης. Καθώς η έρευνα προχωρά, διερευνώνται επίσης υβριδικές προσεγγίσεις που συνδυάζουν στοιχεία και των δύο στρατηγικών για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης του συστήματος, ενώ ταυτόχρονα μετριάζονται οι προκλήσεις που σχετίζονται με κάθε προσέγγιση.