Paraan ng pagsasama ng optoelectronic

Optoelectronicparaan ng pagsasama

Ang pagsasama ngphotonicsat ang electronics ay isang mahalagang hakbang sa pagpapabuti ng mga kakayahan ng mga sistema sa pagpoproseso ng impormasyon, pagpapagana ng mas mabilis na mga rate ng paglilipat ng data, mas mababang paggamit ng kuryente at mas compact na disenyo ng device, at pagbubukas ng malalaking bagong pagkakataon para sa disenyo ng system. Ang mga paraan ng pagsasama ay karaniwang nahahati sa dalawang kategorya: monolitikong pagsasama at multi-chip na pagsasama.

Monolithic integration
Kasama sa monolitikong pagsasama ang paggawa ng mga photonic at electronic na bahagi sa parehong substrate, kadalasang gumagamit ng mga katugmang materyales at proseso. Nakatuon ang diskarteng ito sa paglikha ng isang tuluy-tuloy na interface sa pagitan ng liwanag at kuryente sa loob ng isang chip.
Mga kalamangan:
1. Bawasan ang pagkawala ng interconnection: Ang paglalagay ng mga photon at electronic na bahagi sa malapit ay nagpapaliit ng mga pagkawala ng signal na nauugnay sa mga off-chip na koneksyon.
2, Pinahusay na pagganap: Ang mas mahigpit na pagsasama ay maaaring humantong sa mas mabilis na bilis ng paglilipat ng data dahil sa mas maiikling signal path at pinababang latency.
3, Mas maliit na sukat: Ang monolitikong pagsasama ay nagbibigay-daan para sa mga napaka-compact na device, na partikular na kapaki-pakinabang para sa mga application na limitado sa espasyo, gaya ng mga data center o mga handheld na device.
4, bawasan ang pagkonsumo ng kuryente: alisin ang pangangailangan para sa hiwalay na mga pakete at malayuang interconnects, na maaaring makabuluhang bawasan ang mga kinakailangan sa kuryente.
Hamon:
1) Pagkatugma sa materyal: Ang paghahanap ng mga materyales na sumusuporta sa parehong mataas na kalidad na mga electron at photonic function ay maaaring maging mahirap dahil madalas silang nangangailangan ng iba't ibang mga katangian.
2, pagiging tugma ng proseso: Ang pagsasama ng magkakaibang mga proseso ng pagmamanupaktura ng mga electronics at photon sa parehong substrate nang hindi nagpapasama sa pagganap ng alinmang bahagi ay isang kumplikadong gawain.
4, Kumplikadong pagmamanupaktura: Ang mataas na katumpakan na kinakailangan para sa mga electronic at photononic na istruktura ay nagpapataas sa pagiging kumplikado at gastos ng pagmamanupaktura.

Multi-chip integration
Ang diskarte na ito ay nagbibigay-daan para sa higit na kakayahang umangkop sa pagpili ng mga materyales at proseso para sa bawat function. Sa integrasyong ito, ang mga electronic at photonic na bahagi ay nagmula sa iba't ibang proseso at pagkatapos ay pinagsama-sama at inilagay sa isang karaniwang pakete o substrate (Larawan 1). Ngayon ilista natin ang mga bonding mode sa pagitan ng optoelectronic chips. Direktang pagbubuklod: Ang pamamaraang ito ay nagsasangkot ng direktang pisikal na pakikipag-ugnay at pagbubuklod ng dalawang planar na ibabaw, na kadalasang pinapadali ng mga puwersa ng pagbubuklod ng molekular, init, at presyon. Ito ay may kalamangan sa pagiging simple at potensyal na napakababang pagkawala ng mga koneksyon, ngunit nangangailangan ng tumpak na nakahanay at malinis na mga ibabaw. Fiber/grating coupling: Sa scheme na ito, ang fiber o fiber array ay nakahanay at naka-bonding sa gilid o ibabaw ng photonic chip, na nagbibigay-daan sa liwanag na maisama sa loob at labas ng chip. Ang grating ay maaari ding gamitin para sa vertical coupling, pagpapabuti ng kahusayan ng pagpapadala ng liwanag sa pagitan ng photonic chip at ng panlabas na hibla. Through-silicon holes (TSVs) at micro-bumps: Ang through-silicon hole ay vertical interconnects sa pamamagitan ng silicon substrate, na nagpapahintulot sa mga chips na ma-stack sa tatlong dimensyon. Pinagsama sa mga micro-convex point, nakakatulong ang mga ito upang makamit ang mga de-koryenteng koneksyon sa pagitan ng mga electronic at photonic chip sa mga stacked na configuration, na angkop para sa high-density integration. Optical intermediary layer: Ang optical intermediary layer ay isang hiwalay na substrate na naglalaman ng optical waveguides na nagsisilbing intermediary para sa pagruruta ng mga optical signal sa pagitan ng mga chip. Nagbibigay-daan ito para sa tumpak na pagkakahanay, at karagdagang passiveoptical na bahagimaaaring isama para sa mas mataas na flexibility ng koneksyon. Hybrid bonding: Pinagsasama ng advanced bonding technology na ito ang direktang bonding at micro-bump na teknolohiya upang makamit ang mataas na density ng mga de-koryenteng koneksyon sa pagitan ng mga chip at mataas na kalidad na optical interface. Ito ay partikular na nangangako para sa mataas na pagganap ng optoelectronic co-integration. Solder bump bonding: Katulad ng flip chip bonding, ang mga solder bump ay ginagamit para gumawa ng mga de-koryenteng koneksyon. Gayunpaman, sa konteksto ng optoelectronic integration, ang espesyal na atensyon ay dapat bayaran upang maiwasan ang pinsala sa mga photonic na bahagi na dulot ng thermal stress at pagpapanatili ng optical alignment.

Figure 1: : Electron/photon chip-to-chip Bonding scheme

Ang mga benepisyo ng mga pamamaraang ito ay makabuluhan: Habang patuloy na sinusunod ng mundo ng CMOS ang mga pagpapabuti sa Batas ni Moore, magiging posible na mabilis na maiangkop ang bawat henerasyon ng CMOS o Bi-CMOS sa isang murang silicon photonic chip, na umaani ng mga benepisyo ng pinakamahusay na mga proseso sa photonics at electronics. Dahil ang photonics sa pangkalahatan ay hindi nangangailangan ng katha ng napakaliit na mga istraktura (mga pangunahing sukat na humigit-kumulang 100 nanometer ay tipikal) at ang mga device ay malaki kumpara sa mga transistor, ang mga pagsasaalang-alang sa ekonomiya ay may posibilidad na itulak ang mga photonic na device na gawin sa isang hiwalay na proseso, na hiwalay sa anumang advanced electronics na kinakailangan para sa huling produkto.
Mga kalamangan:
1, kakayahang umangkop: Ang iba't ibang mga materyales at proseso ay maaaring magamit nang nakapag-iisa upang makamit ang pinakamahusay na pagganap ng mga electronic at photonic na bahagi.
2, proseso kapanahunan: ang paggamit ng mga mature na proseso ng pagmamanupaktura para sa bawat bahagi ay maaaring gawing simple ang produksyon at bawasan ang mga gastos.
3, Mas madaling pag-upgrade at pagpapanatili: Ang paghihiwalay ng mga bahagi ay nagbibigay-daan sa mga indibidwal na bahagi na mapalitan o ma-upgrade nang mas madali nang hindi naaapektuhan ang buong system.
Hamon:
1, pagkawala ng interconnection: Ang off-chip na koneksyon ay nagpapakilala ng karagdagang pagkawala ng signal at maaaring mangailangan ng mga kumplikadong pamamaraan sa pag-align.
2, tumaas na pagiging kumplikado at laki: Ang mga indibidwal na bahagi ay nangangailangan ng karagdagang packaging at mga pagkakaugnay, na nagreresulta sa mas malalaking sukat at potensyal na mas mataas na gastos.
3, mas mataas na pagkonsumo ng kuryente: Ang mas mahahabang daanan ng signal at karagdagang packaging ay maaaring tumaas ang mga kinakailangan sa kuryente kumpara sa monolitikong pagsasama.
Konklusyon:
Ang pagpili sa pagitan ng monolithic at multi-chip na pagsasama ay nakasalalay sa mga kinakailangan na partikular sa application, kabilang ang mga layunin sa pagganap, mga hadlang sa laki, mga pagsasaalang-alang sa gastos, at maturity ng teknolohiya. Sa kabila ng pagiging kumplikado ng pagmamanupaktura, ang monolithic integration ay kapaki-pakinabang para sa mga application na nangangailangan ng matinding miniaturization, mababang paggamit ng kuryente, at high-speed na paghahatid ng data. Sa halip, ang multi-chip integration ay nag-aalok ng higit na kakayahang umangkop sa disenyo at gumagamit ng mga umiiral na kakayahan sa pagmamanupaktura, na ginagawa itong angkop para sa mga aplikasyon kung saan ang mga salik na ito ay mas malaki kaysa sa mga benepisyo ng mas mahigpit na pagsasama. Habang umuusad ang pananaliksik, ang mga hybrid na diskarte na pinagsasama ang mga elemento ng parehong mga diskarte ay ginagalugad din upang i-optimize ang pagganap ng system habang pinapagaan ang mga hamon na nauugnay sa bawat diskarte.