Optoelektronik entegrasyon yöntemi

Optoelektronikentegrasyon yöntemi

EntegrasyonufotonikVe elektronikler, bilgi işleme sistemlerinin yeteneklerini iyileştirmenin, daha hızlı veri aktarım oranlarının, daha düşük güç tüketimi ve daha kompakt cihaz tasarımlarının sağlanması ve sistem tasarımı için büyük yeni fırsatlar sunmada önemli bir adımdır. Entegrasyon yöntemleri genellikle iki kategoriye ayrılır: monolitik entegrasyon ve çoklu buklu entegrasyon.

Monolitik entegrasyon
Monolitik entegrasyon, genellikle uyumlu malzemeler ve süreçler kullanılarak aynı substrat üzerinde fotonik ve elektronik bileşenlerin üretilmesini içerir. Bu yaklaşım, tek bir çipte ışık ve elektrik arasında kesintisiz bir arayüz oluşturmaya odaklanmaktadır.
Avantajları:
1. Arabağ bağlantı kayıplarını azaltın: Fotonları ve elektronik bileşenleri yakın bir şekilde yerleştirmek, çip dışı bağlantılarla ilişkili sinyal kayıplarını en aza indirir.
2, Geliştirilmiş Performans: Daha sıkı entegrasyon, daha kısa sinyal yolları ve gecikme azalması nedeniyle daha hızlı veri aktarım hızlarına yol açabilir.
3, Daha Küçük Boyut: Monolitik entegrasyon, özellikle veri merkezleri veya elde taşınır cihazlar gibi alan sınırlı uygulamalar için yararlı olan yüksek oranda kompakt cihazlara izin verir.
4, güç tüketimini azaltın: Güç gereksinimlerini önemli ölçüde azaltabilecek ayrı paketler ve uzun mesafeli bağlantılara olan ihtiyacı ortadan kaldırın.
Meydan okumak:
1) Malzeme uyumluluğu: Hem yüksek kaliteli elektronları hem de fotonik fonksiyonları destekleyen malzemeler bulmak zor olabilir, çünkü genellikle farklı özellikler gerektirirler.
2, Proses Uyumluluğu: Herhangi bir bileşenin performansını bozmadan aynı substratın çeşitli üretim süreçlerini aynı substrat üzerine entegre etmek karmaşık bir görevdir.
4, Karmaşık Üretim: Elektronik ve fotononik yapılar için gereken yüksek hassasiyet, üretimin karmaşıklığını ve maliyetini arttırır.

Çok buklu entegrasyon
Bu yaklaşım, her bir işlev için malzeme ve işlemlerin seçilmesinde daha fazla esneklik sağlar. Bu entegrasyonda, elektronik ve fotonik bileşenler farklı işlemlerden gelir ve daha sonra birlikte monte edilir ve ortak bir paket veya substrat üzerine yerleştirilir (Şekil 1). Şimdi optoelektronik yongalar 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 kayıp bağlantıları avantajına sahiptir, ancak tam olarak hizalanmış ve temiz yüzeyler gerektirir. Fiber/ızgara kuplajı: Bu şemada, fiber veya fiber dizisi hizalanır ve fotonik çipin kenarına veya yüzeyine bağlanır ve ışığın çipin içine ve dışına bağlanmasına izin verir. Izgara, fotonik çip ve harici fiber arasındaki ışığın iletiminin verimliliğini artırarak dikey birleştirme için de kullanılabilir. Silicon delikleri (TSV'ler) ve mikro yumrular: Silicon delikleri, bir silikon substrat boyunca dikey bağlantılardır ve yongaların üç boyutta istiflenmesine izin verir. Mikro-konaks noktaları ile birleştiğinde, istiflenmiş konfigürasyonlarda elektronik ve fotonik yongalar arasında yüksek yoğunluklu entegrasyon için uygun elektrik bağlantıları elde etmeye yardımcı olurlar. Optik Ara Katman: Optik ara katman, yongalar arasında optik sinyalleri yönlendirmek için bir aracı görevi gören optik dalga kılavuzları içeren ayrı bir substrattır. Kesin hizalama ve ek pasif sağlaroptik bileşenlerArtan bağlantı esnekliği için entegre edilebilir. Hibrit bağlanma: Bu gelişmiş bağlanma teknolojisi, yongalar ve yüksek kaliteli optik arayüzler arasındaki yüksek yoğunluklu elektrik bağlantıları elde etmek için doğrudan bağlama ve mikro yağlama teknolojisini birleştirir. Özellikle yüksek performanslı optoelektronik birlikte entegrasyon için umut vericidir. Lehim çarpma bağı: Flip çip bağına benzer şekilde, elektrik bağlantıları oluşturmak için lehim yumruları kullanılır. Bununla birlikte, optoelektronik entegrasyon bağlamında, termal stresin neden olduğu fotonik bileşenlere zarar vermek ve optik hizalamanın sürdürülmesi için özel dikkat gösterilmelidir.

Şekil 1 :: Elektron/Foton Yonga-Çip Bağlama Şeması

Bu yaklaşımların faydaları önemlidir: CMOS dünyası Moore Yasası'ndaki iyileştirmeleri takip etmeye devam ettikçe, her nesil CMOS veya BI-CMO'ları ucuz bir silikon fotonik çip üzerine hızlı bir şekilde uyarlamak mümkün olacaktır ve fotonik ve elektronikte en iyi süreçlerin faydalarını elde eder. Fotonikler genellikle çok küçük yapıların üretilmesini gerektirmediğinden (yaklaşık 100 nanometrenin anahtar boyutları tipiktir) ve cihazlar transistörlere kıyasla büyük olduğundan, ekonomik düşünceler fotonik cihazların son ürün için gerekli olan gelişmiş elektroniklerden ayrılan ayrı bir işlemde üretilmesini sağlayacaktır.
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 kullanımı üretimi basitleştirebilir ve maliyetleri azaltabilir.
3, Daha kolay yükseltme ve bakım: Bileşenlerin ayrılması, tek tek bileşenlerin tüm sistemi etkilemeden daha kolay değiştirilmesine veya yükseltilmesine izin verir.
Meydan okumak:
1, ara bağlantı kaybı: çip dışı bağlantı ek sinyal kaybı getirir ve karmaşık hizalama prosedürleri gerektirebilir.
2, artan karmaşıklık ve boyut: Bireysel bileşenler ek ambalaj ve ara bağlantılar gerektirir, bu da daha büyük boyutlar ve potansiyel olarak daha yüksek maliyetlere neden olur.
3, daha yüksek güç tüketimi: Daha uzun sinyal yolları ve ek ambalaj, monolitik entegrasyona kıyasla güç gereksinimlerini artırabilir.
Çözüm:
Monolitik ve çoklu buklu entegrasyon arasında seçim yapmak, performans hedefleri, boyut kısıtlamaları, maliyet hususları ve teknoloji olgunluğu dahil olmak üzere uygulamaya özgü gereksinimlere bağlıdır. Üretim karmaşıklığına rağmen, monolitik entegrasyon, aşırı minyatürleştirme, düşük güç tüketimi ve yüksek hızlı veri iletimi gerektiren uygulamalar için avantajlıdır. Bunun yerine, Multi-Chip entegrasyonu daha fazla tasarım esnekliği sunar ve mevcut üretim özelliklerini kullanır, bu da bu faktörlerin daha sıkı entegrasyonun faydalarından daha ağır bastığı uygulamalar için uygun hale getirir. Araştırma ilerledikçe, her iki stratejinin unsurlarını birleştiren hibrit yaklaşımlar da her bir yaklaşımla ilişkili zorlukları hafifletirken sistem performansını optimize etmek için araştırılmaktadır.