Mètode d'integració optoelectrònica

Optoelectrònicamètode d'integració

La integració defotònicai l'electrònica és un pas clau per millorar les capacitats dels sistemes de processament d'informació, permetent velocitats de transferència de dades més ràpides, un consum d'energia més baix i dissenys de dispositius més compactes i obre noves oportunitats enormes per al disseny del sistema. Els mètodes d'integració generalment es divideixen en dues categories: integració monolítica i integració multixip.

Integració monolítica
La integració monolítica implica la fabricació de components fotònics i electrònics sobre el mateix substrat, normalment utilitzant materials i processos compatibles. Aquest enfocament se centra a crear una interfície perfecta entre la llum i l'electricitat dins d'un sol xip.
Avantatges:
1. Reduir les pèrdues d'interconnexió: la col·locació de fotons i components electrònics molt a prop minimitza les pèrdues de senyal associades a connexions fora de xip.
2, Rendiment millorat: una integració més estreta pot conduir a velocitats de transferència de dades més ràpides a causa de camins de senyal més curts i latència reduïda.
3, Mida més petita: la integració monolítica permet dispositius molt compactes, la qual cosa és especialment beneficiosa per a aplicacions amb espai limitat, com ara centres de dades o dispositius portàtils.
4, reduir el consum d'energia: eliminar la necessitat de paquets separats i interconnexions de llarga distància, que poden reduir significativament els requisits d'energia.
Repte:
1) Compatibilitat de materials: trobar materials que suportin tant electrons d'alta qualitat com funcions fotòniques pot ser un repte perquè sovint requereixen propietats diferents.
2, compatibilitat de processos: integrar els diversos processos de fabricació d'electrònica i fotons en el mateix substrat sense degradar el rendiment de cap component és una tasca complexa.
4, Fabricació complexa: l'alta precisió requerida per a les estructures electròniques i fotòniques augmenta la complexitat i el cost de fabricació.

Integració multixip
Aquest enfocament permet una major flexibilitat en la selecció de materials i processos per a cada funció. En aquesta integració, els components electrònics i fotònics provenen de processos diferents i després s'ajunten i es col·loquen en un paquet o substrat comú (figura 1). Ara enumerem els modes d'enllaç entre xips optoelectrònics. Enllaç directe: aquesta tècnica implica el contacte físic directe i la unió de dues superfícies planes, generalment facilitat per forces d'enllaç molecular, calor i pressió. Té l'avantatge de la simplicitat i de les connexions potencialment molt baixes, però requereix superfícies netes i alineades amb precisió. Acoblament fibra/reixa: en aquest esquema, la fibra o la matriu de fibres s'alinea i s'uneix a la vora o superfície del xip fotònic, permetent que la llum s'acobli dins i fora del xip. La reixa també es pot utilitzar per a l'acoblament vertical, millorant l'eficiència de la transmissió de la llum entre el xip fotònic i la fibra externa. Forats de silici (TSV) i micro-cops: els forats de silici són interconnexions verticals a través d'un substrat de silici, cosa que permet apilar les fitxes en tres dimensions. Combinats amb punts microconvexos, ajuden a aconseguir connexions elèctriques entre xips electrònics i fotònics en configuracions apilades, adequades per a la integració d'alta densitat. Capa intermèdia òptica: la capa intermèdia òptica és un substrat separat que conté guies d'ona òptiques que serveixen com a intermediari per encaminar senyals òptics entre xips. Permet una alineació precisa i passiu addicionalcomponents òpticses pot integrar per augmentar la flexibilitat de connexió. Enllaç híbrid: aquesta tecnologia d'enllaç avançada combina tecnologia d'enllaç directe i micro-bump per aconseguir connexions elèctriques d'alta densitat entre xips i interfícies òptiques d'alta qualitat. És especialment prometedor per a la cointegració optoelectrònica d'alt rendiment. Unió de cops de soldadura: de manera similar a la unió de xips de soldadura, els cops de soldadura s'utilitzen per crear connexions elèctriques. Tanmateix, en el context de la integració optoelectrònica, s'ha de prestar especial atenció a evitar danys als components fotònics causats per l'estrès tèrmic i mantenir l'alineació òptica.

Figura 1: Esquema d'enllaç entre xip electron/fotó

Els beneficis d'aquests enfocaments són significatius: a mesura que el món CMOS segueixi seguint millores en la Llei de Moore, serà possible adaptar ràpidament cada generació de CMOS o Bi-CMOS a un xip fotònic de silici barat, obtenint els beneficis dels millors processos en fotònica i electrònica. Com que la fotònica generalment no requereix la fabricació d'estructures molt petites (les mides clau d'uns 100 nanòmetres són típiques) i els dispositius són grans en comparació amb els transistors, les consideracions econòmiques tendiran a empènyer els dispositius fotònics a fabricar-se en un procés separat, separat de qualsevol avançat. electrònica necessària per al producte final.
Avantatges:
1, flexibilitat: es poden utilitzar diferents materials i processos de manera independent per aconseguir el millor rendiment dels components electrònics i fotònics.
2, maduresa del procés: l'ús de processos de fabricació madurs per a cada component pot simplificar la producció i reduir costos.
3, Actualització i manteniment més fàcils: la separació de components permet substituir o actualitzar components individuals amb més facilitat sense afectar tot el sistema.
Repte:
1, pèrdua d'interconnexió: la connexió fora de xip introdueix pèrdua de senyal addicional i pot requerir procediments d'alineació complexos.
2, augment de la complexitat i la mida: els components individuals requereixen embalatge i interconnexions addicionals, el que resulta en mides més grans i costos potencialment més elevats.
3, major consum d'energia: camins de senyal més llargs i embalatge addicional poden augmentar els requisits d'energia en comparació amb la integració monolítica.
Conclusió:
L'elecció entre la integració monolítica i multixip depèn dels requisits específics de l'aplicació, inclosos els objectius de rendiment, les limitacions de mida, les consideracions de costos i la maduresa de la tecnologia. Malgrat la complexitat de fabricació, la integració monolítica és avantatjosa per a aplicacions que requereixen una miniaturització extrema, un baix consum d'energia i una transmissió de dades d'alta velocitat. En canvi, la integració multixip ofereix una major flexibilitat de disseny i utilitza les capacitats de fabricació existents, la qual cosa la fa adequada per a aplicacions on aquests factors superen els beneficis d'una integració més estreta. A mesura que avança la investigació, també s'estan explorant enfocaments híbrids que combinen elements d'ambdues estratègies per optimitzar el rendiment del sistema alhora que mitiguen els reptes associats a cada enfocament.