Optoelektronik entegrasyon yöntemi

Optoelektronikentegrasyon yöntemi

Entegrasyonufotonikve elektronik, bilgi işlem sistemlerinin yeteneklerini geliştirmede önemli bir adımdır; daha hızlı veri aktarım hızları, daha düşük güç tüketimi ve daha kompakt cihaz tasarımları sağlar ve sistem tasarımı için büyük yeni fırsatlar sunar. Entegrasyon yöntemleri genellikle iki kategoriye ayrılır: monolitik entegrasyon ve çok çipli entegrasyon.

Monolitik entegrasyon
Monolitik entegrasyon, fotonik ve elektronik bileşenlerin genellikle uyumlu malzemeler ve süreçler kullanılarak aynı alt tabaka üzerinde üretilmesini içerir. Bu yaklaşım, tek bir çip içinde ışık ve elektrik arasında kusursuz bir arayüz oluşturmaya odaklanır.
Avantajları:
1. Bağlantı kayıplarını azaltın: Fotonları ve elektronik bileşenleri yakın mesafeye yerleştirmek, çip dışı bağlantılarla ilişkili sinyal kayıplarını en aza indirir.
2, Geliştirilmiş performans: Daha sıkı entegrasyon, daha kısa sinyal yolları ve azaltılmış gecikme nedeniyle daha hızlı veri aktarım hızlarına yol açabilir.
3, Daha küçük boyut: Monolitik entegrasyon, veri merkezleri veya el tipi cihazlar gibi alan kısıtlaması olan uygulamalar için özellikle faydalı olan son derece kompakt cihazlara olanak tanır.
4, güç tüketimini azaltın: ayrı paketlere ve uzun mesafeli bağlantılara olan ihtiyacı ortadan kaldırın, bu da güç gereksinimlerini önemli ölçüde azaltabilir.
Meydan okumak:
1) Malzeme uyumluluğu: Hem yüksek kaliteli elektronları hem de fotonik işlevleri destekleyen malzemeleri bulmak zor olabilir çünkü bunlar genellikle farklı özellikler gerektirir.
2, Proses uyumluluğu: Elektronik ve fotonların çeşitli üretim proseslerini, herhangi bir bileşenin performansını düşürmeden aynı alt tabaka üzerinde entegre etmek karmaşık bir iştir.
4, Karmaşık üretim: Elektronik ve fotononik yapılar için gereken yüksek hassasiyet, üretimin karmaşıklığını ve maliyetini artırır.

Çoklu çip entegrasyonu
Bu yaklaşım, her bir işlev için malzeme ve proses seçiminde daha fazla esneklik sağlar. Bu entegrasyonda, elektronik ve fotonik bileşenler farklı proseslerden gelir ve daha sonra bir araya getirilerek ortak bir paket veya alt tabaka üzerine yerleştirilir (Şekil 1). Şimdi optoelektronik çipler arasındaki bağlanma modlarını listeleyelim. Doğrudan bağlama: Bu teknik, genellikle moleküler bağlanma kuvvetleri, ısı ve basınçla kolaylaştırılan iki düzlemsel yüzeyin doğrudan fiziksel temasını ve bağlanmasını içerir. Basitlik ve potansiyel olarak çok düşük kayıplı bağlantılar avantajına sahiptir, ancak hassas bir şekilde hizalanmış ve temiz yüzeyler gerektirir. Fiber/ızgara bağlantısı: Bu şemada, fiber veya fiber dizisi fotonik çipin kenarına veya yüzeyine hizalanır ve bağlanır, böylece ışığın çipe girip çıkmasına olanak tanır. Izgara ayrıca dikey bağlantı için de kullanılabilir ve bu da fotonik çip ile harici fiber arasındaki ışık iletiminin verimliliğini artırır. Silikon içinden geçen delikler (TSV'ler) ve mikro çıkıntılar: Silikon içinden geçen delikler, bir silikon alt tabaka boyunca dikey ara bağlantılardır ve çiplerin üç boyutlu olarak istiflenmesine olanak tanır. Mikro-dışbükey noktalarla birleştirildiğinde, yüksek yoğunluklu entegrasyona uygun, üst üste yerleştirilmiş konfigürasyonlarda elektronik ve fotonik yongalar arasında elektriksel bağlantılar kurulmasına yardımcı olurlar. Optik ara katman: Optik ara katman, yongalar arasında optik sinyalleri yönlendirmek için aracı görevi gören optik dalga kılavuzlarını içeren ayrı bir alt tabakadır. Hassas hizalama ve ek pasif bağlantı sağlar.optik bileşenlerBağlantı esnekliğini artırmak için entegre edilebilir. Hibrit bağlama: Bu gelişmiş bağlama teknolojisi, yongalar ve yüksek kaliteli optik arayüzler arasında yüksek yoğunluklu elektriksel bağlantılar elde etmek için doğrudan bağlama ve mikro-çarpma teknolojisini birleştirir. Özellikle yüksek performanslı optoelektronik eş-entegrasyon için umut vericidir. Lehimli çarpma bağlama: Çipli bağlamaya benzer şekilde, lehimli çarpmalar elektriksel bağlantılar oluşturmak için kullanılır. Ancak, optoelektronik entegrasyon bağlamında, termal stresin neden olduğu fotonik bileşenlere zarar vermemeye ve optik hizalamayı korumaya özellikle dikkat edilmelidir.

Şekil 1: : Elektron/foton çipten çipe Bağlanma şeması

Bu yaklaşımların faydaları önemlidir: CMOS dünyası Moore Yasası'ndaki gelişmeleri takip etmeye devam ettikçe, her nesil CMOS veya Bi-CMOS'u ucuz bir silikon fotonik çipe hızla adapte etmek ve fotonik ve elektronikteki en iyi süreçlerin avantajlarından yararlanmak mümkün olacaktır. Fotonik genellikle çok küçük yapıların (genellikle yaklaşık 100 nanometrelik anahtar boyutları) üretimini gerektirmediğinden ve cihazlar transistörlere kıyasla büyük olduğundan, ekonomik kaygılar fotonik cihazların nihai ürün için gereken gelişmiş elektroniklerden ayrı, ayrı bir süreçte üretilmesini zorunlu kılacaktır.
Avantajları:
1, Esneklik: Elektronik ve fotonik bileşenlerin en iyi performansını elde etmek için farklı malzemeler ve işlemler bağımsız olarak kullanılabilir.
2, süreç olgunluğu: Her bir bileşen için olgun üretim süreçlerinin kullanılması üretimi basitleştirebilir ve maliyetleri düşürebilir.
3, Daha kolay yükseltme ve bakım: Bileşenlerin ayrılması, tüm sistemi etkilemeden tek tek bileşenlerin daha kolay değiştirilmesine veya yükseltilmesine olanak tanır.
Meydan okumak:
1, Bağlantı kaybı: Çip dışı bağlantı, ek sinyal kaybına neden olur ve karmaşık hizalama prosedürleri gerektirebilir.
2, artan karmaşıklık ve boyut: Bireysel bileşenler ek paketleme ve ara bağlantılar gerektirir, bu da daha büyük boyutlara ve potansiyel olarak daha yüksek maliyetlere neden olur.
3, daha yüksek güç tüketimi: Daha uzun sinyal yolları ve ek paketleme, monolitik entegrasyona kıyasla güç gereksinimlerini artırabilir.
Çözüm:
Monolitik ve çoklu çip entegrasyonu arasında seçim yapmak, performans hedefleri, boyut kısıtlamaları, maliyet unsurları ve teknoloji olgunluğu gibi uygulamaya özgü gereksinimlere bağlıdır. Üretim karmaşıklığına rağmen, monolitik entegrasyon aşırı minyatürleştirme, düşük güç tüketimi ve yüksek hızlı veri iletimi gerektiren uygulamalar için avantajlıdır. Çoklu çip entegrasyonu ise daha fazla tasarım esnekliği sunar ve mevcut üretim olanaklarından yararlanır; bu da bu faktörlerin daha sıkı entegrasyonun avantajlarından daha ağır bastığı uygulamalar için uygun hale getirir. Araştırmalar ilerledikçe, her iki stratejinin unsurlarını birleştiren hibrit yaklaşımlar da, her yaklaşımla ilişkili zorlukları azaltırken sistem performansını optimize etmek için araştırılmaktadır.