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 taxes de transferència de dades més ràpides, menor consum d'energia i dissenys més compactes de dispositius i obrint grans oportunitats per al disseny del sistema. Els mètodes d’integració es divideixen generalment en dues categories: integració monolítica i integració multi-xip.

Integració monolítica
La integració monolítica consisteix en fabricar components fotònics i electrònics al mateix substrat, normalment utilitzant materials i processos compatibles. Aquest enfocament es centra en crear una interfície perfecta entre llum i electricitat dins d’un sol xip.
Avantatges:
1. Reduir les pèrdues d’interconnexió: la col·locació de fotons i components electrònics a prop de proximitat minimitza les pèrdues de senyal associades a les connexions fora de xip.
2, Rendiment millorat: una integració més estricta pot conduir a velocitats de transferència de dades més ràpides a causa de les rutes de senyal més curtes i la latència reduïda.
3, Mida menor: la integració monolítica permet dispositius altament compactes, especialment beneficiosos per a aplicacions limitades a l’espai, com ara centres de dades o dispositius de mà.
4, Reduïu el consum d’energia: elimineu la necessitat de paquets separats i interconnexions de llarga distància, cosa que pot reduir significativament els requisits d’energia.
Repte:
1) Compatibilitat de material: Trobar materials que admeten electrons tant de gran qualitat com de funcions fotòniques poden ser difícils perquè sovint requereixen propietats diferents.
2, Compatibilitat del procés: la integració dels diversos processos de fabricació d’electrònica i fotons al mateix substrat sense degradar el rendiment de cap component és una tasca complexa.
4, Fabricació complexa: l’alta precisió necessària per a les estructures electròniques i fotonòniques augmenta la complexitat i el cost de la fabricació.

Integració multi-xip
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 diferents processos i es reuneixen i es col·loquen en un paquet o substrat comú (figura 1). Enumerem ara els modes d’enllaç entre xips optoelectrònics. Enllaç directe: aquesta tècnica implica el contacte físic i l’enllaç directe de dues superfícies planes, generalment facilitades per forces d’enllaç molecular, calor i pressió. Té l’avantatge de simplicitat i connexions de pèrdues potencialment molt baixes, però requereix superfícies netes i netes amb precisió. Acoblament de fibra/reixeta: En aquest esquema, la fibra o la matriu de fibra està alineada i unida 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. Els forats de silicó (TSVs) i els micro-bumps: els forats de silicó són interconnexes verticals a través d’un substrat de silici, permetent que els xips s’apilen en tres dimensions. Combinats amb punts micro-convexos, ajuden a aconseguir connexions elèctriques entre xips electrònics i fotònics en configuracions apilades, adequades per a la integració d’alta densitat. Capa intermediària òptica: La capa intermediària òptica és un substrat separat que conté guies d'ona òptica que serveixen com a intermediari per a l'encaminament de senyals òptiques entre xips. Permet alineació precisa i passiva addicionalComponents òpticsEs pot integrar per augmentar la flexibilitat de la connexió. Enllaç híbrid: aquesta tecnologia d’enllaç avançada combina l’enllaç directe i la tecnologia de micro-cops per aconseguir connexions elèctriques d’alta densitat entre xips i interfícies òptiques d’alta qualitat. És particularment prometedor per a la cointegració optoelectrònica d’alt rendiment. Enllaç de bomba de soldadura: similar a l’enllaç de xips de flip, els cops de soldadura s’utilitzen per crear connexions elèctriques. Tanmateix, en el context de la integració optoelectrònica, cal prestar una atenció especial per evitar danys als components fotònics causats per l’estrès tèrmic i mantenir l’alineació òptica.

Figura 1 :: Esquema d’enllaç de xip a xip d’electrons/fotons

Els avantatges d’aquests enfocaments són significatius: ja que el món CMOS continua seguint millores en la llei de Moore, serà possible adaptar ràpidament cada generació de CMOS o BI-CMOS en un xip fotònic de silici barat, obtenint els avantatges 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 típics) 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, separats de qualsevol electrònica avançada 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 els costos.
3, actualització i manteniment més fàcils: la separació de components permet substituir o actualitzar els components individuals més fàcilment sense afectar tot el sistema.
Repte:
1, pèrdua d’interconnexió: la connexió fora de xip introdueix una pèrdua de senyal addicional i pot requerir procediments d’alineació complexos.
2, Augment de la complexitat i mida: els components individuals requereixen envasos i interconnexions addicionals, donant lloc a mides més grans i costos potencialment més elevats.
3, consum més elevat d’energia: les rutes de senyal més llargues i els envasos addicionals poden augmentar els requisits d’energia en comparació amb la integració monolítica.
Conclusió:
L’elecció entre la integració monolítica i de diversos xips depèn dels requisits específics de l’aplicació, inclosos els objectius de rendiment, les restriccions de mida, les consideracions de costos i la maduresa de la tecnologia. Malgrat la complexitat de la fabricació, la integració monolítica és avantatjosa per a les aplicacions que requereixen una miniaturització extrema, un consum baix d’energia i una transmissió de dades d’alta velocitat. En lloc d'això, la integració multi-xip ofereix una major flexibilitat del disseny i utilitza capacitats de fabricació existents, cosa que la fa adequada per a aplicacions on aquests factors superen els avantatges d'una integració més estricta. A mesura que avança la investigació, els enfocaments híbrids que combinen elements d’ambdues estratègies també s’estan explorant per optimitzar el rendiment del sistema alhora que mitiga els reptes associats a cada enfocament.