Metoda e integrimit optoelektronik

Optoelektronikmetodë e integrimit

Integrimi ifoton fotonikeDhe Elektronika është një hap kryesor në përmirësimin e aftësive të sistemeve të përpunimit të informacionit, duke bërë të mundur normat më të shpejta të transferimit të të dhënave, konsumin më të ulët të energjisë dhe modelet më kompakte të pajisjeve, dhe hapjen e mundësive të mëdha të reja për hartimin e sistemit. Metodat e integrimit zakonisht ndahen në dy kategori: integrimi monolit dhe integrimi me shumë chip.

Integrim monolit
Integrimi monolitik përfshin prodhimin e përbërësve fotonikë dhe elektronikë në të njëjtin substrat, zakonisht duke përdorur materiale dhe procese të pajtueshme. Kjo qasje përqendrohet në krijimin e një ndërfaqe pa probleme midis dritës dhe energjisë elektrike brenda një çipi të vetëm.
Avantazhet:
1. Ulja e humbjeve të ndërlidhjes: Vendosja e fotoneve dhe përbërësve elektronikë në afërsi minimizon humbjet e sinjalit të shoqëruara me lidhjet jashtë-chip.
2, Performanca e përmirësuar: Integrimi më i fortë mund të çojë në shpejtësi më të shpejtë të transferimit të të dhënave për shkak të shtigjeve më të shkurtër të sinjalit dhe zvogëlimit të latencës.
3, Madhësia më e vogël: Integrimi monolitik lejon pajisje shumë kompakte, e cila është veçanërisht e dobishme për aplikimet e kufizuara në hapësirë, siç janë qendrat e të dhënave ose pajisjet dore.
4, Ulja e konsumit të energjisë: Eliminoni nevojën për pako të ndara dhe ndërlidhjet në distanca të gjata, të cilat mund të zvogëlojnë ndjeshëm kërkesat e energjisë.
Sfida:
1) Përputhshmëria e materialit: Gjetja e materialeve që mbështesin të dy elektronet me cilësi të lartë dhe funksionet fotonike mund të jenë 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 njëjtin substrat pa degraduar performancën e ndonjë komponenti është një detyrë komplekse.
4, Prodhim kompleks: Saktësia e lartë e nevojshme për strukturat elektronike dhe fotononike rrit kompleksitetin dhe koston e prodhimit.

Integrim me shumë chip
Kjo qasje lejon një fleksibilitet më të madh në zgjedhjen e materialeve dhe proceseve për secilin funksion. Në këtë integrim, përbërësit elektronikë dhe fotonikë vijnë nga procese të ndryshme dhe më pas mblidhen së bashku dhe vendosen në një paketë ose substrat të përbashkët (Figura 1). Tani le të rendisim mënyrat e lidhjes midis çipave optoelektronikë. Lidhja e drejtpërdrejtë: Kjo teknikë përfshin kontaktin e drejtpërdrejtë fizik dhe lidhjen e dy sipërfaqeve planare, zakonisht të lehtësuara nga forcat e lidhjes molekulare, nxehtësia dhe presioni. Ajo ka avantazhin e thjeshtësisë dhe lidhjeve potencialisht shumë të ulëta, por kërkon sipërfaqe të përafruara saktësisht dhe të pastra. Fibra/bashkimi i grilës: Në këtë skemë, grupi i fibrave ose fibrave është i lidhur dhe i lidhur me skajin ose sipërfaqen e çipit fotonik, duke lejuar që drita të shoqërohet brenda dhe jashtë çipit. Grajimi mund të përdoret gjithashtu për bashkimin vertikal, duke përmirësuar efikasitetin e transmetimit të dritës midis çipit fotonik dhe fibrës së jashtme. Vrimat përmes silikonit (TSV) dhe mikro-gunga: vrimat përmes silikonit janë ndërlidhje vertikale përmes një substrati silikoni, duke lejuar që patate të skuqura të grumbullohen në tre dimensione. Kombinuar me pikat mikro-konveks, ato ndihmojnë për të arritur lidhje elektrike midis çipave elektronikë dhe fotonikë në konfigurime të grumbulluara, të përshtatshme për integrimin me densitet të lartë. Shtresa optike e ndërmjetësit: Shtresa e ndërmjetësit optik është një substrat i veçantë që përmban shirita optikë të valëve optike që shërbejnë si një ndërmjetës për kursimin e sinjaleve optike midis çipave. Ai lejon përafrimin e saktë, dhe pasiv shtesëpërbërës optikëmund të integrohet për fleksibilitet të rritur të lidhjes. Lidhja hibride: Kjo teknologji e avancuar e lidhjes kombinon lidhjen e drejtpërdrejtë dhe teknologjinë e mikro-rrotull për të arritur lidhje elektrike me densitet të lartë midis çipave dhe ndërfaqeve optike me cilësi të lartë. Particularlyshtë veçanërisht premtuese për bashkë-integrimin optoelektronik me performancë të lartë. Lidhja e gungave të bashkimit: Ngjashëm me lidhjen e çipave të rrokullisjes, gungat e bashkimit përdoren për të krijuar lidhje elektrike. Sidoqoftë, në kontekstin e integrimit optoelektronik, duhet t'i kushtohet vëmendje e veçantë shmangies së dëmtimit të përbërësve fotonikë të shkaktuar nga stresi termik dhe ruajtjes së shtrirjes optike.

Figura 1 :: Skema e lidhjes së elektroneve/fotoneve në chip-chip

Përfitimet e këtyre qasjeve janë domethënëse: pasi bota e CMOS vazhdon të ndjekë përmirësime në ligjin e Moore, do të jetë e mundur që të përshtatni shpejt çdo gjeneratë të CMOS ose BI-CMOS në një çip fotonik të lirë silikoni, duke korrur përfitimet e proceseve më të mira në fotonikë dhe elektronikë. Për shkak se fotonika në përgjithësi nuk kërkon trillimin e strukturave shumë të vogla (madhësitë kryesore prej rreth 100 nanometrash 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 elektronikë e përparuar e nevojshme për produktin përfundimtar.
Avantazhet:
1, Fleksibiliteti: Materiale dhe procese të ndryshme mund të përdoren në mënyrë të pavarur për të arritur performancën më të mirë të përbërësve 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 përbërësve lejon që përbërësit individualë të zëvendësohen ose përmirësohen më lehtë pa ndikuar në të gjithë sistemin.
Sfida:
1, Humbja e ndërlidhjes: Lidhja off-chip prezanton humbje shtesë të sinjalit dhe mund të kërkojë procedura komplekse të shtrirjes.
2, Rritja e kompleksitetit dhe madhësia: përbërësit individualë kërkojnë paketim shtesë dhe ndërlidhje, 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 e energjisë në krahasim me integrimin monolitik.
Përfundim:
Zgjedhja midis integrimit monolitik dhe shumë-chips varet nga kërkesat specifike të aplikimit, përfshirë qëllimet e performancës, kufizimet e madhësisë, konsideratat e kostos dhe pjekurinë e teknologjisë. Megjithë kompleksitetin e prodhimit, integrimi monolitik është i dobishëm për aplikimet 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 chip ofron fleksibilitet më të madh të projektimit dhe përdor aftësitë ekzistuese të prodhimit, duke e bërë atë të përshtatshme për aplikime ku këta faktorë tejkalojnë përfitimet e integrimit më të fortë. Ndërsa hulumtimi përparon, qasjet hibride që kombinojnë elementët e të dy strategjive gjithashtu po hulumtohen për të optimizuar performancën e sistemit ndërsa zbusin sfidat që lidhen me secilën qasje.