Optoelektronik entegrasyon yöntemi

Optoelektronikentegrasyon yöntemi

entegrasyonufotonikve elektronik, bilgi işlem sistemlerinin yeteneklerinin geliştirilmesinde, daha hızlı veri aktarım hızlarının, daha düşük güç tüketiminin ve daha kompakt cihaz tasarımlarının sağlanmasında ve sistem tasarımı için çok büyük yeni fırsatların açılmasında önemli bir adımdır. Entegrasyon yöntemleri genel olarak iki kategoriye ayrılır: monolitik entegrasyon ve çoklu çip entegrasyonu.

Monolitik entegrasyon
Monolitik entegrasyon, genellikle uyumlu malzemeler ve süreçler kullanılarak aynı alt tabaka üzerinde fotonik ve elektronik bileşenlerin üretilmesini içerir. Bu yaklaşım, tek bir çipte ışık ve elektrik arasında kesintisiz bir arayüz oluşturmaya odaklanıyor.
Avantajları:
1. Ara bağlantı kayıplarını azaltın: Fotonların ve elektronik bileşenlerin birbirine yakın yerleştirilmesi, çip dışı bağlantılardan kaynaklanan sinyal kayıplarını en aza indirir.
2, Geliştirilmiş performans: Daha sıkı entegrasyon, daha kısa sinyal yolları ve azaltılmış gecikme nedeniyle daha yüksek veri aktarım hızlarına yol açabilir.
3, Daha küçük boyut: Monolitik entegrasyon, son derece kompakt cihazlara olanak tanır; bu, özellikle veri merkezleri veya el tipi cihazlar gibi alanı sınırlı uygulamalar için faydalıdır.
4, güç tüketimini azaltın: güç gereksinimlerini önemli ölçüde azaltabilen ayrı paketlere ve uzun mesafeli ara bağlantılara olan ihtiyacı ortadan kaldırın.
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, süreç uyumluluğu: Elektroniklerin ve fotonların çeşitli üretim süreçlerini, 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 işlev için malzeme ve süreç seçiminde daha fazla esneklik sağlar. Bu entegrasyonda, elektronik ve fotonik bileşenler farklı süreçlerden gelir ve daha sonra bir araya getirilerek ortak bir paket veya alt katmana yerleştirilir (Şekil 1). Şimdi optoelektronik çipler arasındaki bağlanma modlarını listeleyelim. Doğrudan bağlanma: 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 bağlantı avantajına sahiptir ancak hassas 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 çipin içine ve dışına bağlanmasına izin verilir. Izgara aynı zamanda dikey bağlantı için de kullanılabilir ve böylece fotonik çip ile harici fiber arasındaki ışık iletiminin verimliliği artar. Geçişli silikon delikleri (TSV'ler) ve mikro çıkıntılar: Geçişli silikon delikleri, silikon bir alt tabaka boyunca dikey ara bağlantılardır ve yongaların üç boyutlu olarak istiflenmesine olanak tanır. Mikro dışbükey noktalarla birleştirildiğinde, yüksek yoğunluklu entegrasyona uygun, istiflenmiş konfigürasyonlarda elektronik ve fotonik çipler arasında elektriksel bağlantıların elde edilmesine yardımcı olurlar. Optik ara katman: Optik ara katman, optik sinyallerin çipler arasında yönlendirilmesi için bir aracı görevi gören optik dalga kılavuzlarını içeren ayrı bir alt tabakadır. Hassas hizalama ve ek pasiflik sağlaroptik bileşenlerDaha fazla bağlantı esnekliği için entegre edilebilir. Hibrit bağlama: Bu gelişmiş bağlama teknolojisi, çipler ve yüksek kaliteli optik arayüzler arasında yüksek yoğunluklu elektrik bağlantıları elde etmek için doğrudan bağlama ve mikro çarpma teknolojisini birleştirir. Özellikle yüksek performanslı optoelektronik eş-integrasyon için umut vericidir. Lehim çarpması bağlama: Flip chip bağlamaya benzer şekilde, lehim çarpmaları elektrik bağlantıları oluşturmak için kullanılır. Bununla birlikte, optoelektronik entegrasyon bağlamında, termal stresin neden olduğu fotonik bileşenlere zarar vermemeye ve optik hizalamayı sürdürmeye özel dikkat gösterilmelidir.

Şekil 1: Elektron/foton çipten çipe Bağlanma şeması

Bu yaklaşımların faydaları önemlidir: CMOS dünyası Moore Yasasındaki gelişmeleri takip etmeye devam ettikçe, her CMOS veya Bi-CMOS neslini ucuz bir silikon fotonik çip üzerine hızlı bir şekilde uyarlamak mümkün olacak ve en iyi süreçlerin faydalarından yararlanılacaktır. fotonik ve elektronik. Fotonik genellikle çok küçük yapıların imalatını gerektirmediğinden (tipik olarak yaklaşık 100 nanometrelik anahtar boyutları) ve cihazlar transistörlerle karşılaştırıldığında büyük olduğundan, ekonomik kaygılar, fotonik cihazları herhangi bir gelişmiş teknolojiden ayrı olarak ayrı bir süreçte üretmeye itecektir. Nihai ürün için gerekli elektronikler.
Avantajları:
1, esneklik: Elektronik ve fotonik bileşenlerin en iyi performansını elde etmek için farklı malzemeler ve işlemler bağımsız olarak kullanılabilir.
2, süreç olgunluğu: Her bileşen için olgun üretim süreçlerinin kullanılması, üretimi basitleştirebilir ve maliyetleri azaltabilir.
3, Daha kolay yükseltme ve bakım: Bileşenlerin ayrılması, tüm sistemi etkilemeden tek tek bileşenlerin daha kolay değiştirilmesine veya yükseltilmesine olanak tanır.
Meydan okumak:
1, ara 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 yol açar.
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 hususları ve teknoloji olgunluğu dahil olmak üzere uygulamaya özel gereksinimlere bağlıdır. Üretim karmaşıklığına rağmen monolitik entegrasyon, aşırı minyatürleştirme, düşük güç tüketimi ve yüksek hızlı veri iletimi gerektiren uygulamalar için avantajlıdır. Bunun yerine, çoklu çip entegrasyonu daha fazla tasarım esnekliği sunar ve mevcut üretim yeteneklerini kullanır, bu da onu bu faktörlerin daha sıkı entegrasyonun avantajlarından daha ağır bastığı uygulamalar için uygun hale getirir. Araştırma ilerledikçe, sistem performansını optimize ederken her bir yaklaşımla ilgili zorlukları hafifletmek için her iki stratejinin unsurlarını birleştiren hibrit yaklaşımlar da araştırılıyor.