Kaedah penyepaduan optoelektronik

Optoelektronikkaedah integrasi

Penyepaduan daripadafotonikdan elektronik ialah langkah utama dalam meningkatkan keupayaan sistem pemprosesan maklumat, membolehkan kadar pemindahan data yang lebih pantas, penggunaan kuasa yang lebih rendah dan reka bentuk peranti yang lebih padat, dan membuka peluang baharu yang besar untuk reka bentuk sistem. Kaedah integrasi secara amnya dibahagikan kepada dua kategori: integrasi monolitik dan integrasi berbilang cip.

Integrasi monolitik
Penyepaduan monolitik melibatkan pembuatan komponen fotonik dan elektronik pada substrat yang sama, biasanya menggunakan bahan dan proses yang serasi. Pendekatan ini memberi tumpuan kepada mencipta antara muka yang lancar antara cahaya dan elektrik dalam satu cip.
Kelebihan:
1. Kurangkan kehilangan sambungan: Meletakkan foton dan komponen elektronik dalam jarak yang dekat meminimumkan kehilangan isyarat yang berkaitan dengan sambungan luar cip.
2, Prestasi yang dipertingkatkan: Penyepaduan yang lebih ketat boleh membawa kepada kelajuan pemindahan data yang lebih pantas disebabkan laluan isyarat yang lebih pendek dan kependaman yang dikurangkan.
3, Saiz yang lebih kecil: Penyepaduan monolitik membolehkan peranti yang sangat padat, yang sangat bermanfaat untuk aplikasi terhad ruang, seperti pusat data atau peranti pegang tangan.
4, mengurangkan penggunaan kuasa: menghapuskan keperluan untuk pakej berasingan dan sambung jarak jauh, yang boleh mengurangkan keperluan kuasa dengan ketara.
Cabaran:
1) Keserasian bahan: Mencari bahan yang menyokong kedua-dua elektron berkualiti tinggi dan fungsi fotonik boleh menjadi mencabar kerana ia sering memerlukan sifat yang berbeza.
2, keserasian proses: Mengintegrasikan pelbagai proses pembuatan elektronik dan foton pada substrat yang sama tanpa merendahkan prestasi mana-mana satu komponen adalah tugas yang kompleks.
4, Pengilangan kompleks: Ketepatan tinggi yang diperlukan untuk struktur elektronik dan fotononik meningkatkan kerumitan dan kos pembuatan.

Penyepaduan berbilang cip
Pendekatan ini membolehkan lebih fleksibiliti dalam memilih bahan dan proses untuk setiap fungsi. Dalam penyepaduan ini, komponen elektronik dan fotonik datang daripada proses yang berbeza dan kemudiannya dipasang bersama dan diletakkan pada pakej atau substrat biasa (Rajah 1). Sekarang mari kita senaraikan mod ikatan antara cip optoelektronik. Ikatan terus: Teknik ini melibatkan sentuhan fizikal langsung dan ikatan dua permukaan satah, biasanya difasilitasi oleh daya ikatan molekul, haba dan tekanan. Ia mempunyai kelebihan kesederhanaan dan sambungan kehilangan yang mungkin sangat rendah, tetapi memerlukan permukaan yang dijajar dan bersih dengan tepat. Gandingan gentian/parut: Dalam skema ini, susunan gentian atau gentian diselaraskan dan diikat pada tepi atau permukaan cip fotonik, membolehkan cahaya digabungkan masuk dan keluar dari cip. Kisi juga boleh digunakan untuk gandingan menegak, meningkatkan kecekapan penghantaran cahaya antara cip fotonik dan gentian luaran. Lubang silikon melalui (TSV) dan benjolan mikro: Lubang silikon melalui ialah sambungan menegak melalui substrat silikon, membolehkan cip disusun dalam tiga dimensi. Digabungkan dengan titik cembung mikro, ia membantu mencapai sambungan elektrik antara cip elektronik dan fotonik dalam konfigurasi bertindan, sesuai untuk penyepaduan berketumpatan tinggi. Lapisan perantara optik: Lapisan perantara optik ialah substrat berasingan yang mengandungi pandu gelombang optik yang berfungsi sebagai perantara untuk penghalaan isyarat optik antara cip. Ia membolehkan penjajaran yang tepat, dan pasif tambahankomponen optikboleh disepadukan untuk meningkatkan fleksibiliti sambungan. Ikatan hibrid: Teknologi ikatan termaju ini menggabungkan teknologi ikatan langsung dan bonggol mikro untuk mencapai sambungan elektrik berketumpatan tinggi antara cip dan antara muka optik berkualiti tinggi. Ia amat menjanjikan untuk penyepaduan bersama optoelektronik berprestasi tinggi. Ikatan bonggol pateri: Sama seperti ikatan cip terbalik, bonggol pateri digunakan untuk membuat sambungan elektrik. Walau bagaimanapun, dalam konteks penyepaduan optoelektronik, perhatian khusus mesti diberikan untuk mengelakkan kerosakan pada komponen fotonik yang disebabkan oleh tekanan haba dan mengekalkan penjajaran optik.

Rajah 1: : Skema Ikatan cip-ke-cip elektron/foton

Faedah pendekatan ini adalah penting: Memandangkan dunia CMOS terus mengikuti penambahbaikan dalam Undang-undang Moore, adalah mungkin untuk menyesuaikan setiap generasi CMOS atau Bi-CMOS dengan cepat ke cip fotonik silikon yang murah, memperoleh manfaat daripada proses terbaik dalam fotonik dan elektronik. Oleh kerana fotonik secara amnya tidak memerlukan fabrikasi struktur yang sangat kecil (saiz utama kira-kira 100 nanometer adalah tipikal) dan peranti adalah besar berbanding dengan transistor, pertimbangan ekonomi akan cenderung untuk menolak peranti fotonik untuk dihasilkan dalam proses yang berasingan, dipisahkan daripada mana-mana lanjutan. elektronik yang diperlukan untuk produk akhir.
Kelebihan:
1, fleksibiliti: Bahan dan proses yang berbeza boleh digunakan secara bebas untuk mencapai prestasi terbaik komponen elektronik dan fotonik.
2, kematangan proses: penggunaan proses pembuatan yang matang untuk setiap komponen boleh memudahkan pengeluaran dan mengurangkan kos.
3, Naik taraf dan penyelenggaraan yang lebih mudah: Pemisahan komponen membolehkan komponen individu diganti atau dinaik taraf dengan lebih mudah tanpa menjejaskan keseluruhan sistem.
Cabaran:
1, kehilangan sambungan: Sambungan luar cip memperkenalkan kehilangan isyarat tambahan dan mungkin memerlukan prosedur penjajaran yang kompleks.
2, peningkatan kerumitan dan saiz: Komponen individu memerlukan pembungkusan dan sambungan tambahan, menghasilkan saiz yang lebih besar dan kos yang berpotensi lebih tinggi.
3, penggunaan kuasa yang lebih tinggi: Laluan isyarat yang lebih panjang dan pembungkusan tambahan boleh meningkatkan keperluan kuasa berbanding integrasi monolitik.
Kesimpulan:
Memilih antara penyepaduan monolitik dan berbilang cip bergantung pada keperluan khusus aplikasi, termasuk matlamat prestasi, kekangan saiz, pertimbangan kos dan kematangan teknologi. Walaupun kerumitan pembuatan, penyepaduan monolitik adalah berfaedah untuk aplikasi yang memerlukan pengecilan melampau, penggunaan kuasa yang rendah dan penghantaran data berkelajuan tinggi. Sebaliknya, penyepaduan berbilang cip menawarkan fleksibiliti reka bentuk yang lebih besar dan menggunakan keupayaan pembuatan sedia ada, menjadikannya sesuai untuk aplikasi di mana faktor-faktor ini mengatasi faedah penyepaduan yang lebih ketat. Semasa penyelidikan berjalan, pendekatan hibrid yang menggabungkan elemen kedua-dua strategi juga sedang diterokai untuk mengoptimumkan prestasi sistem sambil mengurangkan cabaran yang berkaitan dengan setiap pendekatan.