Opto-elektronieseintegrasiemetode
Die integrasie vanfotonikaen elektronika is 'n sleutelstap in die verbetering van die vermoëns van inligtingverwerkingstelsels, wat vinniger data-oordragspoed, laer kragverbruik en meer kompakte toestelontwerpe moontlik maak, en enorme nuwe geleenthede vir stelselontwerp oopmaak. Integrasiemetodes word oor die algemeen in twee kategorieë verdeel: monolitiese integrasie en multi-skyfie-integrasie.
Monolitiese integrasie
Monolitiese integrasie behels die vervaardiging van fotoniese en elektroniese komponente op dieselfde substraat, gewoonlik deur versoenbare materiale en prosesse te gebruik. Hierdie benadering fokus op die skep van 'n naatlose koppelvlak tussen lig en elektrisiteit binne 'n enkele skyfie.
Voordele:
1. Verminder interkonneksieverliese: Deur fotone en elektroniese komponente naby mekaar te plaas, word seinverliese wat met verbindings buite die skyfie geassosieer word, verminder.
2, Verbeterde werkverrigting: Strenger integrasie kan lei tot vinniger data-oordragspoed as gevolg van korter seinpaaie en verminderde latensie.
3, Kleiner grootte: Monolitiese integrasie maak voorsiening vir hoogs kompakte toestelle, wat veral voordelig is vir toepassings met beperkte ruimte, soos datasentrums of handtoestelle.
4, verminder kragverbruik: elimineer die behoefte aan aparte pakkette en langafstand-interkonneksies, wat die kragvereistes aansienlik kan verminder.
Uitdaging:
1) Materiaalversoenbaarheid: Dit kan moeilik wees om materiale te vind wat beide hoëgehalte-elektrone en fotoniese funksies ondersteun, want hulle benodig dikwels verskillende eienskappe.
2, prosesversoenbaarheid: Die integrasie van die diverse vervaardigingsprosesse van elektronika en fotone op dieselfde substraat sonder om die werkverrigting van enige komponent te verminder, is 'n komplekse taak.
4, Komplekse vervaardiging: Die hoë presisie wat benodig word vir elektroniese en fotoniese strukture verhoog die kompleksiteit en koste van vervaardiging.
Multi-skyfie-integrasie
Hierdie benadering bied groter buigsaamheid in die keuse van materiale en prosesse vir elke funksie. In hierdie integrasie kom die elektroniese en fotoniese komponente van verskillende prosesse en word dan saamgestel en op 'n gemeenskaplike pakket of substraat geplaas (Figuur 1). Kom ons lys nou die bindingsmodusse tussen opto-elektroniese skyfies. Direkte binding: Hierdie tegniek behels die direkte fisiese kontak en binding van twee planêre oppervlaktes, gewoonlik vergemaklik deur molekulêre bindingskragte, hitte en druk. Dit het die voordeel van eenvoud en potensieel baie lae verliesverbindings, maar vereis presies gerigte en skoon oppervlaktes. Vesel/roosterkoppeling: In hierdie skema word die vesel of veselskikking gerig en gebind aan die rand of oppervlak van die fotoniese skyfie, wat toelaat dat lig in en uit die skyfie gekoppel word. Die rooster kan ook gebruik word vir vertikale koppeling, wat die doeltreffendheid van die oordrag van lig tussen die fotoniese skyfie en die eksterne vesel verbeter. Deur-silikongate (TSV's) en mikro-bulte: Deur-silikongate is vertikale verbindings deur 'n silikonsubstraat, wat toelaat dat die skyfies in drie dimensies gestapel kan word. Gekombineer met mikro-konvekse punte, help hulle om elektriese verbindings tussen elektroniese en fotoniese skyfies in gestapelde konfigurasies te bewerkstellig, geskik vir hoëdigtheidintegrasie. Optiese tussenlaag: Die optiese tussenlaag is 'n aparte substraat wat optiese golfgidse bevat wat dien as 'n tussenganger vir die roete van optiese seine tussen skyfies. Dit maak voorsiening vir presiese belyning, en bykomende passiewe ...optiese komponentekan geïntegreer word vir verhoogde verbindingsbuigsaamheid. Hibriede binding: Hierdie gevorderde bindingstegnologie kombineer direkte binding en mikro-stamptegnologie om hoëdigtheid-elektriese verbindings tussen skyfies en hoëgehalte-optiese koppelvlakke te bereik. Dit is veral belowend vir hoëprestasie-opto-elektroniese ko-integrasie. Soldeerstampbinding: Soortgelyk aan flip-chipbinding, word soldeerstampe gebruik om elektriese verbindings te skep. In die konteks van opto-elektroniese integrasie moet egter spesiale aandag gegee word aan die vermyding van skade aan fotoniese komponente wat deur termiese spanning veroorsaak word en die handhawing van optiese belyning.
Figuur 1: Elektron/foton-skyfie-tot-skyfie-bindingskema
Die voordele van hierdie benaderings is beduidend: Namate die CMOS-wêreld voortgaan om verbeterings in Moore se Wet te volg, sal dit moontlik wees om elke generasie CMOS of Bi-CMOS vinnig aan te pas op 'n goedkoop silikon fotoniese skyfie, en sodoende die voordele van die beste prosesse in fotonika en elektronika te pluk. Omdat fotonika oor die algemeen nie die vervaardiging van baie klein strukture vereis nie (sleutelgroottes van ongeveer 100 nanometer is tipies) en toestelle groot is in vergelyking met transistors, sal ekonomiese oorwegings geneig wees om fotoniese toestelle te dryf om in 'n aparte proses vervaardig te word, geskei van enige gevorderde elektronika wat vir die finale produk benodig word.
Voordele:
1, buigsaamheid: Verskillende materiale en prosesse kan onafhanklik gebruik word om die beste werkverrigting van elektroniese en fotoniese komponente te behaal.
2, prosesvolwassenheid: die gebruik van volwasse vervaardigingsprosesse vir elke komponent kan produksie vereenvoudig en koste verminder.
3, Makliker opgradering en onderhoud: Die skeiding van komponente maak dit makliker om individuele komponente te vervang of op te gradeer sonder om die hele stelsel te beïnvloed.
Uitdaging:
1, interkonneksieverlies: Die verbinding buite die skyfie veroorsaak addisionele seinverlies en mag komplekse belyningsprosedures vereis.
2, verhoogde kompleksiteit en grootte: Individuele komponente benodig addisionele verpakking en interkonneksies, wat lei tot groter groottes en moontlik hoër koste.
3, hoër kragverbruik: Langer seinpaaie en addisionele verpakking kan kragvereistes verhoog in vergelyking met monolitiese integrasie.
Gevolgtrekking:
Die keuse tussen monolitiese en multi-skyfie-integrasie hang af van toepassingspesifieke vereistes, insluitend prestasiedoelwitte, groottebeperkings, koste-oorwegings en tegnologie-volwassenheid. Ten spyte van vervaardigingskompleksiteit, is monolitiese integrasie voordelig vir toepassings wat uiterste miniaturisering, lae kragverbruik en hoëspoed-data-oordrag vereis. In plaas daarvan bied multi-skyfie-integrasie groter ontwerpbuigsaamheid en benut bestaande vervaardigingsvermoëns, wat dit geskik maak vir toepassings waar hierdie faktore swaarder weeg as die voordele van strenger integrasie. Soos navorsing vorder, word hibriede benaderings wat elemente van beide strategieë kombineer ook ondersoek om stelselprestasie te optimaliseer terwyl die uitdagings wat met elke benadering verband hou, verminder word.
Plasingstyd: 8 Julie 2024