OptoelektronischIntegrationsmethode
Die Integration vonPhotonikund Electronics ist ein wichtiger Schritt zur Verbesserung der Funktionen von Informationsverarbeitungssystemen, der Ermöglichung einer schnelleren Datenübertragungsraten, einem geringeren Stromverbrauch und kompakteren Gerätedesigns sowie der Öffnung enormer neuer Möglichkeiten für das Systemdesign. Die Integrationsmethoden sind im Allgemeinen in zwei Kategorien unterteilt: monolithische Integration und Mehrchip-Integration.
Monolithische Integration
Die monolithische Integration umfasst die Herstellung photonischer und elektronischer Komponenten auf demselben Substrat, in der Regel kompatible Materialien und Prozesse. Dieser Ansatz konzentriert sich auf die Erstellung einer nahtlosen Schnittstelle zwischen Licht und Elektrizität innerhalb eines einzelnen Chips.
Vorteile:
1. Verringerung der Verbindungsverluste: Das Platzieren von Photonen und elektronischen Komponenten in unmittelbarer Nähe minimiert Signalverluste, die mit Off-Chip-Verbindungen verbunden sind.
2, Verbesserte Leistung: Eine engere Integration kann aufgrund kürzerer Signalwege und einer verringerten Latenz zu schnelleren Datenübertragungsgeschwindigkeiten führen.
3, kleinere Größe: Die monolithische Integration ermöglicht hochkompakte Geräte, die für räumlich begrenzte Anwendungen wie Rechenzentren oder Handheld-Geräte besonders vorteilhaft sind.
4, Stromverbrauch reduzieren: Beseitigen Sie die Notwendigkeit separater Pakete und Fernkonnektionen, was die Strombedürfnisse erheblich verringern kann.
Herausforderung:
1) Materialkompatibilität: Das Auffinden von Materialien, die sowohl hochwertige Elektronen als auch photonische Funktionen unterstützen, kann eine Herausforderung sein, da sie häufig unterschiedliche Eigenschaften erfordern.
2, Prozesskompatibilität: Integration der verschiedenen Herstellungsprozesse von Elektronik und Photonen in das gleiche Substrat, ohne die Leistung einer Komponente zu beeinträchtigen, ist eine komplexe Aufgabe.
4, komplexe Fertigung: Die für elektronische und photononische Strukturen erforderliche hohe Präzision erhöht die Komplexität und die Kosten der Herstellung.
Multi-Chip-Integration
Dieser Ansatz ermöglicht eine größere Flexibilität bei der Auswahl von Materialien und Prozessen für jede Funktion. In dieser Integration stammen die elektronischen und photonischen Komponenten aus verschiedenen Prozessen und werden dann zusammengebaut und auf ein gemeinsames Paket oder ein gemeinsames Substrat platziert (Abbildung 1). Listen wir nun die Bindungsmodi zwischen optoelektronischen Chips auf. Direkte Bindung: Diese Technik umfasst den direkten physischen Kontakt und die Bindung von zwei planaren Oberflächen, die normalerweise durch molekulare Bindungskräfte, Wärme und Druck erleichtert werden. Es hat den Vorteil der Einfachheit und potenziell sehr geringen Verluste, erfordert jedoch genau ausgerichtete und saubere Oberflächen. Faser-/Gitterkopplung: In diesem Schema ist das Faser- oder Faser -Array ausgerichtet und an die Kante oder Oberfläche des photonischen Chips gebunden, sodass Licht in und aus dem Chip gekoppelt werden kann. Das Gitter kann auch zur vertikalen Kopplung verwendet werden, wodurch die Effizienz der Lichtübertragung zwischen dem photonischen Chip und der externen Faser verbessert wird. Durch-Silizium-Löcher (TSVs) und Mikrobauch: Durch-Siliziumlöcher sind vertikale Verbindungen durch ein Siliziumsubstrat, sodass die Chips in drei Dimensionen gestapelt werden können. In Kombination mit mikrokonvexen Punkten tragen sie dazu bei, elektrische Verbindungen zwischen elektronischen und photonischen Chips in gestapelten Konfigurationen zu erreichen, die für die Integration mit hoher Dichte geeignet sind. Optische Zwischenschicht: Die optische Zwischenschicht ist ein separates Substrat, das optische Wellenleiter enthält, die als Vermittler für die Routing -optischen Signale zwischen Chips dienen. Es ermöglicht eine präzise Ausrichtung und zusätzliche passiveoptische KomponentenKann für eine erhöhte Verbindungsflexibilität integriert werden. Hybridbindung: Diese fortschrittliche Bonding-Technologie kombiniert direkte Bindung und Mikro-Bump-Technologie, um elektrische Verbindungen mit hoher Dichte zwischen Chips und optischen Schnittstellen in hoher Qualität zu erzielen. Es ist besonders vielversprechend für die leistungsstarke optoelektronische Ko-Integration. Lötbeule -Bindung: Ähnlich wie bei Flip -Chip -Bindung werden Lötplatten verwendet, um elektrische Verbindungen herzustellen. Im Zusammenhang mit der optoelektronischen Integration muss jedoch besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden, um die durch thermischen Belastungen verursachten Schäden an photonischen Komponenten zu vermeiden und die optische Ausrichtung aufrechtzuerhalten.
Abbildung 1 :: Elektron/Photon-Chip-zu-Chip-Bindungsschema
Die Vorteile dieser Ansätze sind erheblich: Da die CMOS-Welt weiterhin Verbesserungen des Moore-Gesetzes befolgt, ist es möglich, jede Generation von CMOs oder BI-CMOs schnell an einen billigen Siliziumphoton-Chip anzupassen und die Vorteile der besten Prozesse in der Photonik und der Elektronik zu nutzen. Da die Photonik im Allgemeinen nicht die Herstellung sehr kleiner Strukturen erfordert (Schlüsselgrößen von etwa 100 Nanometern sind typisch) und Geräte im Vergleich zu Transistoren groß sind, werden wirtschaftliche Überlegungen dazu neigen, photonische Geräte in einem separaten Prozess herzustellen, das von der für das Endprodukt erforderlichen fortschrittlichen Elektronik getrennt ist.
Vorteile:
1, Flexibilität: Verschiedene Materialien und Prozesse können unabhängig verwendet werden, um die beste Leistung elektronischer und photonischer Komponenten zu erzielen.
2, Prozessreife: Die Verwendung von ausgereiften Herstellungsprozessen für jede Komponente kann die Produktion vereinfachen und die Kosten senken.
3, einfacheres Upgrade und Wartung: Durch die Trennung von Komponenten können einzelne Komponenten ersetzt oder leichter aufgerüstet werden, ohne das gesamte System zu beeinflussen.
Herausforderung:
1, Verbindungsverlust: Die Off-Chip-Verbindung führt zu zusätzlichen Signalverlust und erfordert möglicherweise komplexe Ausrichtungsverfahren.
2, erhöhte Komplexität und Größe: Individuelle Komponenten erfordern zusätzliche Verpackungen und Verbindungen, was zu größeren Größen und möglicherweise höheren Kosten führt.
3, höherer Stromverbrauch: Längere Signalwege und zusätzliche Verpackungen können den Strombedarf im Vergleich zur monolithischen Integration erhöhen.
Abschluss:
Die Wahl zwischen monolithischer und mehrstöckiger Integration hängt von anwendungsspezifischen Anforderungen ab, einschließlich Leistungszielen, Größenbeschränkungen, Kostenüberlegungen und technologischer Reife. Trotz der Komplexität der Herstellung ist die monolithische Integration für Anwendungen vorteilhaft, die extreme Miniaturisierung, geringem Stromverbrauch und Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung erfordern. Stattdessen bietet Multi-Chip-Integration eine größere Designflexibilität und nutzt vorhandene Fertigungsfunktionen, wodurch sie für Anwendungen geeignet sind, bei denen diese Faktoren die Vorteile einer engeren Integration überwiegen. Im Laufe der Forschung werden hybride Ansätze, die Elemente beider Strategien kombinieren, ebenfalls untersucht, um die Systemleistung zu optimieren und gleichzeitig die mit jedem Ansatz verbundenen Herausforderungen zu mildern.
Postzeit: Jul-08-2024