Metoda e integrimit optoelektronik

Optoelektronikemetoda e integrimit

Integrimi ifotonikadhe elektronika është një hap kyç në përmirësimin e aftësive të sistemeve të përpunimit të informacionit, duke mundësuar shpejtësi më të shpejtë të transferimit të të dhënave, konsum më të ulët të energjisë dhe dizajne më kompakte të pajisjeve dhe hapjen e mundësive të reja të mëdha për dizajnimin e sistemit. Metodat e integrimit përgjithësisht ndahen në dy kategori: integrim monolit dhe integrim me shumë çipa.

Integrimi monolit
Integrimi monolit përfshin prodhimin e komponentëve fotonik dhe elektronik në të njëjtën substrat, zakonisht duke përdorur materiale dhe procese të pajtueshme. Kjo qasje fokusohet në krijimin e një ndërfaqeje të qetë midis dritës dhe energjisë elektrike brenda një çipi të vetëm.
Përparësitë:
1. Zvogëloni humbjet e ndërlidhjes: Vendosja e fotoneve dhe komponentëve elektronikë në afërsi minimizon humbjet e sinjalit që lidhen me lidhjet jashtë çipit.
2, Performanca e përmirësuar: Integrimi më i ngushtë mund të çojë në shpejtësi më të shpejta të transferimit të të dhënave për shkak të shtigjeve më të shkurtra të sinjalit dhe vonesës së reduktuar.
3, Madhësia më e vogël: Integrimi monolit lejon pajisje shumë kompakte, gjë që është veçanërisht e dobishme për aplikacionet me hapësirë ​​të kufizuar, të tilla si qendrat e të dhënave ose pajisjet e dorës.
4, zvogëloni konsumin e energjisë: eliminoni nevojën për paketa të veçanta dhe ndërlidhje në distanca të gjata, të cilat mund të reduktojnë ndjeshëm kërkesat e energjisë.
Sfida:
1) Përputhshmëria e materialit: Gjetja e materialeve që mbështesin elektronet me cilësi të lartë dhe funksionet fotonike mund të jetë sfiduese sepse ato shpesh kërkojnë veti të ndryshme.
2, përputhshmëria e procesit: Integrimi i proceseve të ndryshme të prodhimit të elektronikës dhe fotoneve në të njëjtën substrate pa degraduar performancën e ndonjë komponenti është një detyrë komplekse.
4, Prodhimi kompleks: Saktësia e lartë e kërkuar për strukturat elektronike dhe fotonike rrit kompleksitetin dhe koston e prodhimit.

Integrimi me shumë çipa
Kjo qasje mundëson fleksibilitet më të madh në përzgjedhjen e materialeve dhe proceseve për secilin funksion. Në këtë integrim, komponentët elektronikë dhe fotonikë vijnë nga procese të ndryshme dhe më pas montohen së bashku dhe vendosen në një paketë ose nënshtresë të përbashkët (Figura 1). Tani le të rendisim mënyrat e lidhjes midis çipave optoelektronikë. Lidhja direkte: Kjo teknikë përfshin kontaktin fizik të drejtpërdrejtë dhe lidhjen e dy sipërfaqeve planare, zakonisht të lehtësuara nga forcat e lidhjes molekulare, nxehtësia dhe presioni. Ka avantazhin e thjeshtësisë dhe lidhjeve me humbje potencialisht shumë të ulëta, por kërkon sipërfaqe të radhitura saktësisht dhe të pastra. Lidhja e fibrave / grilave: Në këtë skemë, grupi i fibrave ose fibrave është i rreshtuar dhe i lidhur me skajin ose sipërfaqen e çipit fotonik, duke lejuar që drita të bashkohet brenda dhe jashtë çipit. Grila mund të përdoret gjithashtu për bashkim vertikal, duke përmirësuar efikasitetin e transmetimit të dritës midis çipit fotonik dhe fibrës së jashtme. Vrimat përmes silikonit (TSV) dhe mikro-gungat: Vrimat përmes silikonit janë ndërlidhje vertikale përmes një nënshtrese silikoni, duke lejuar që çipat të grumbullohen në tre dimensione. Të kombinuara me pika mikro-konvekse, ato ndihmojnë në arritjen e lidhjeve elektrike midis çipave elektronikë dhe fotonikë në konfigurime të grumbulluara, të përshtatshme për integrim me densitet të lartë. Shtresa ndërmjetëse optike: Shtresa ndërmjetëse optike është një nënshtresë e veçantë që përmban valë-drejtues optikë që shërbejnë si ndërmjetës për drejtimin e sinjaleve optike ndërmjet çipave. Ai lejon përafrimin e saktë dhe pasiv shtesëkomponente optikemund të integrohet për rritjen e fleksibilitetit të lidhjes. Lidhja hibride: Kjo teknologji e avancuar e lidhjes kombinon teknologjinë e lidhjes së drejtpërdrejtë dhe mikro-përplasjes për të arritur lidhje elektrike me densitet të lartë midis çipave dhe ndërfaqeve optike me cilësi të lartë. Është veçanërisht premtues për bashkëintegrimin optoelektronik me performancë të lartë. Lidhja e gungës së saldimit: Ngjashëm me lidhjen e çipit të rrotullimit, gungat e saldimit përdoren për të krijuar lidhje elektrike. Megjithatë, në kontekstin e integrimit optoelektronik, vëmendje e veçantë duhet t'i kushtohet shmangies së dëmtimit të komponentëve fotonikë të shkaktuar nga stresi termik dhe ruajtjes së shtrirjes optike.

Figura 1: : Skema e lidhjes nga çipi me çip elektron/foton

Përfitimet e këtyre qasjeve janë domethënëse: Ndërsa bota CMOS vazhdon të ndjekë përmirësimet në Ligjin e Moore, do të jetë e mundur të përshtatet shpejt çdo gjeneratë e CMOS ose Bi-CMOS në një çip fotonik silikoni të lirë, duke korrur përfitimet e proceseve më të mira në fotonika dhe elektronika. Për shkak se fotonika në përgjithësi nuk kërkon fabrikimin e strukturave shumë të vogla (përmasat kryesore prej rreth 100 nanometra janë tipike) dhe pajisjet janë të mëdha në krahasim me transistorët, konsideratat ekonomike do të priren të shtyjnë pajisjet fotonike të prodhohen në një proces të veçantë, të ndara nga çdo i avancuar. elektronika e nevojshme për produktin përfundimtar.
Përparësitë:
1, fleksibilitet: Materiale dhe procese të ndryshme mund të përdoren në mënyrë të pavarur për të arritur performancën më të mirë të komponentëve elektronikë dhe fotonikë.
2, pjekuria e procesit: përdorimi i proceseve të prodhimit të pjekur për secilin komponent mund të thjeshtojë prodhimin dhe të zvogëlojë kostot.
3, Përmirësimi dhe mirëmbajtja më e lehtë: Ndarja e komponentëve lejon që komponentët individualë të zëvendësohen ose përmirësohen më lehtë pa ndikuar në të gjithë sistemin.
Sfida:
1, humbja e ndërlidhjes: Lidhja jashtë çipit sjell humbje shtesë të sinjalit dhe mund të kërkojë procedura komplekse të shtrirjes.
2, kompleksiteti dhe madhësia e shtuar: Përbërësit individualë kërkojnë paketim dhe ndërlidhje shtesë, duke rezultuar në madhësi më të mëdha dhe kosto potencialisht më të larta.
3, konsumi më i lartë i energjisë: Shtigjet më të gjata të sinjalit dhe paketimi shtesë mund të rrisin kërkesat për energji krahasuar me integrimin monolit.
konkluzioni:
Zgjedhja midis integrimit monolit dhe me shumë çipa varet nga kërkesat specifike të aplikacionit, duke përfshirë qëllimet e performancës, kufizimet e madhësisë, konsideratat e kostos dhe pjekurinë e teknologjisë. Pavarësisht kompleksitetit të prodhimit, integrimi monolit është i favorshëm për aplikacionet që kërkojnë miniaturizim ekstrem, konsum të ulët të energjisë dhe transmetim të të dhënave me shpejtësi të lartë. Në vend të kësaj, integrimi me shumë çipa ofron fleksibilitet më të madh të dizajnit dhe përdor aftësitë ekzistuese të prodhimit, duke e bërë atë të përshtatshëm për aplikacione ku këta faktorë tejkalojnë përfitimet e integrimit më të ngushtë. Ndërsa kërkimi përparon, qasjet hibride që kombinojnë elementet e të dyja strategjive po hulumtohen gjithashtu për të optimizuar performancën e sistemit duke zbutur sfidat që lidhen me secilën qasje.