ოპტოელექტრონული ინტეგრაციის მეთოდი

ოპტოელექტრონულიინტეგრაციის მეთოდი

ინტეგრაციაფოტონიკადა Electronics არის მნიშვნელოვანი ნაბიჯი ინფორმაციის დამუშავების სისტემების შესაძლებლობების გასაუმჯობესებლად, მონაცემთა გადაცემის უფრო სწრაფად განაკვეთების, ენერგიის უფრო დაბალი მოხმარების და უფრო კომპაქტური მოწყობილობის დიზაინის შესაძლებლობების გასაუმჯობესებლად და სისტემის დიზაინის უზარმაზარი ახალი შესაძლებლობების გახსნისთვის. ინტეგრაციის მეთოდები ზოგადად იყოფა ორ კატეგორიად: მონოლითური ინტეგრაცია და მრავალ ჩიპური ინტეგრაცია.

მონოლითური ინტეგრაცია
მონოლითური ინტეგრაცია მოიცავს იმავე სუბსტრატზე ფოტონური და ელექტრონული კომპონენტების წარმოებას, ჩვეულებრივ, თავსებადი მასალებისა და პროცესების გამოყენებით. ეს მიდგომა ფოკუსირებულია ერთ ჩიპში სინათლესა და ელექტროენერგიას შორის უწყვეტი ინტერფეისის შექმნას.
უპირატესობები:
1. შეამცირეთ ურთიერთკავშირის დანაკარგები: ფოტონებისა და ელექტრონული კომპონენტების სიახლოვეს განთავსება მინიმუმამდე ამცირებს სიგნალის დანაკარგებს, რომლებიც დაკავშირებულია Off-Chip კავშირებთან.
2, გაუმჯობესებული შესრულება: უფრო მჭიდრო ინტეგრაციამ შეიძლება გამოიწვიოს მონაცემთა გადაცემის უფრო სწრაფი სიჩქარე უფრო მოკლე სიგნალის ბილიკების და ლატენტობის შემცირების გამო.
3, მცირე ზომის: მონოლითური ინტეგრაცია საშუალებას იძლევა უაღრესად კომპაქტური მოწყობილობები, რაც განსაკუთრებით სასარგებლოა კოსმოსური შეზღუდული პროგრამებისთვის, მაგალითად, მონაცემთა ცენტრების ან ხელსაწყოების მოწყობილობებისთვის.
4, შეამცირეთ ენერგიის მოხმარება: აღმოფხვრეთ ცალკეული პაკეტების და საქალაქთაშორისო ურთიერთკავშირების საჭიროება, რამაც შეიძლება მნიშვნელოვნად შეამციროს ენერგიის მოთხოვნები.
გამოწვევა:
1) მატერიალური თავსებადობა: მასალების პოვნა, რომელიც მხარს უჭერს როგორც მაღალი ხარისხის ელექტრონებს, ასევე ფოტონურ ფუნქციებს, შეიძლება რთული იყოს, რადგან ისინი ხშირად საჭიროებენ სხვადასხვა თვისებებს.
2, პროცესის თავსებადობა: იმავე სუბსტრატზე ელექტრონიკისა და ფოტონების მრავალფეროვანი წარმოების პროცესების ინტეგრირება, ნებისმიერი კომპონენტის შესრულების დეგრადაციის გარეშე, რთული ამოცანაა.
4, რთული წარმოება: ელექტრონული და ფოტონონური სტრუქტურებისთვის საჭირო მაღალი სიზუსტე ზრდის წარმოების სირთულესა და ღირებულებას.

მრავალ ჩიპური ინტეგრაცია
ეს მიდგომა საშუალებას იძლევა უფრო მეტი მოქნილობა, თითოეული ფუნქციის მასალებისა და პროცესების შერჩევაში. ამ ინტეგრაციაში, ელექტრონული და ფოტონური კომპონენტები მოდის სხვადასხვა პროცესიდან და შემდეგ იკრიბებიან ერთად და მოთავსებულია საერთო პაკეტზე ან სუბსტრატზე (სურათი 1). ახლა მოდით ჩამოვთვალოთ შემაკავშირებელი რეჟიმები ოპტოელექტრონულ ჩიპებს შორის. პირდაპირი კავშირი: ეს ტექნიკა მოიცავს ორი პლანეტარული ზედაპირის პირდაპირ ფიზიკურ კონტაქტს და შეერთებას, რაც ჩვეულებრივ ხელს უწყობს მოლეკულური შემაკავშირებელ ძალებს, სითბოს და წნევას. მას აქვს სიმარტივის უპირატესობა და პოტენციურად ძალიან დაბალი ზარალის კავშირი, მაგრამ მოითხოვს ზუსტად გასწორებულ და სუფთა ზედაპირებს. ბოჭკოვანი/გრეხვის დაწყვილება: ამ სქემაში, ბოჭკოვანი ან ბოჭკოვანი მასივი შეესაბამება და მიბმული აქვს ფოტონური ჩიპის ზღვარზე ან ზედაპირზე, რაც საშუალებას აძლევს შუქს შეიტანოს ჩიპიდან და გარეთ. ხრახნი ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას ვერტიკალური შეერთებისთვის, აუმჯობესებს ფოტონურ ჩიპსა და გარე ბოჭკოს შორის სინათლის გადაცემის ეფექტურობას. სილიკონის ხვრელები (TSVs) და მიკრო-ბუმბულები: სილიკონის ხვრელები ვერტიკალური ურთიერთკავშირია სილიკონის სუბსტრატის მეშვეობით, რაც საშუალებას აძლევს ჩიპებს სამ განზომილებაში. მიკრო-კონვექსის წერტილებთან ერთად, ისინი ხელს უწყობენ ელექტრონულ და ფოტონურ ჩიპსებს შორის ელექტრული კავშირების მიღწევას დაყენებულ კონფიგურაციებში, რაც შესაფერისია მაღალი სიმკვრივის ინტეგრაციისთვის. ოპტიკური შუამავალი ფენა: ოპტიკური შუამავალი ფენა არის ცალკეული სუბსტრატი, რომელიც შეიცავს ოპტიკურ ტალღებს, რომლებიც შუამავლად ემსახურებიან ჩიპსებს შორის ოპტიკური სიგნალების მარშრუტირებას. ეს საშუალებას იძლევა ზუსტი გასწორება და დამატებითი პასიურიოპტიკური კომპონენტებიშეიძლება ინტეგრირებული იყოს კავშირის მოქნილობისთვის. ჰიბრიდული შემაკავშირებელი: ეს მოწინავე შემაკავშირებელ ტექნოლოგია აერთიანებს პირდაპირ კავშირს და მიკრო ტუმბოს ტექნოლოგიას, რათა მიაღწიოს მაღალი სიმკვრივის ელექტრო კავშირებს ჩიპებსა და მაღალი ხარისხის ოპტიკურ ინტერფეისებს შორის. ეს განსაკუთრებით პერსპექტიულია მაღალი ხარისხის ოპტოელექტრონული თანა-ინტეგრაციისთვის. Solder Bump შემაკავშირებელი: Flip Chip- ის კავშირის მსგავსად, გამაგრილებელი მუწუკები გამოიყენება ელექტრული კავშირების შესაქმნელად. ამასთან, ოპტოელექტრონული ინტეგრაციის კონტექსტში, განსაკუთრებული ყურადღება უნდა მიექცეს თერმული სტრესით გამოწვეული ფოტონური კომპონენტების დაზიანების თავიდან ასაცილებლად და ოპტიკური გასწორების შენარჩუნებას.

სურათი 1 :: ელექტრონის/ფოტონის ჩიპ-ჩიპ-ჩიპ-შემაერთებელი სქემა

ამ მიდგომების სარგებელი მნიშვნელოვანია: რადგან CMOS სამყარო აგრძელებს მურის კანონის გაუმჯობესებას, შესაძლებელი იქნება სწრაფად ადაპტირდეს თითოეული თაობის CMO- ს ან Bi-CMOS იაფი სილიკონის ფოტონურ ჩიპზე, აიღოს საუკეთესო პროცესების სარგებელი ფოტონიკასა და ელექტრონიკაში. იმის გამო, რომ ზოგადად, ფოტონიკას არ საჭიროებს ძალიან მცირე სტრუქტურების გაყალბება (დაახლოებით 100 ნანომეტრის ძირითადი ზომები ტიპიურია) და მოწყობილობები დიდია ტრანზისტორებთან შედარებით, ეკონომიკური მოსაზრებები ტენდენციას უბიძგებს ფოტონური მოწყობილობების წარმოებას ცალკეულ პროცესში, განცალკევებულია საბოლოო პროდუქტისთვის საჭირო ნებისმიერი მოწინავე ელექტრონიკისგან.
უპირატესობები:
1, მოქნილობა: სხვადასხვა მასალები და პროცესები დამოუკიდებლად შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტრონული და ფოტონური კომპონენტების საუკეთესო შესრულების მისაღწევად.
2, პროცესის სიმწიფე: თითოეული კომპონენტისთვის სექსუალურ წარმოების პროცესების გამოყენებამ შეიძლება გამარტივდეს წარმოება და შეამციროს ხარჯები.
3, უფრო ადვილი განახლება და შენარჩუნება: კომპონენტების განცალკევება საშუალებას იძლევა ინდივიდუალური კომპონენტების შეცვლა ან განახლება უფრო მარტივად, მთელი სისტემის გავლენის გარეშე.
გამოწვევა:
1, ურთიერთკავშირის დაკარგვა: Off-Chip კავშირი შემოიღებს სიგნალის დამატებით ზარალს და შეიძლება მოითხოვოს გასწორების რთული პროცედურები.
2, გაზრდილი სირთულე და ზომა: ინდივიდუალური კომპონენტები მოითხოვს დამატებით შეფუთვას და ურთიერთკავშირებს, რის შედეგადაც უფრო დიდი ზომები და პოტენციურად უფრო მაღალი ხარჯები ხდება.
3, უფრო მაღალი ენერგიის მოხმარება: უფრო გრძელი სიგნალის ბილიკები და დამატებითი შეფუთვა შეიძლება გაზარდოს ენერგიის მოთხოვნები მონოლითურ ინტეგრაციასთან შედარებით.
დასკვნა:
მონოლითურ და მრავალ ჩიპურ ინტეგრაციას შორის არჩევა დამოკიდებულია პროგრამის სპეციფიკურ მოთხოვნებზე, მათ შორის შესრულების მიზნებზე, ზომის შეზღუდვებზე, ხარჯების მოსაზრებებზე და ტექნოლოგიის სიმწიფეზე. წარმოების სირთულის მიუხედავად, მონოლითური ინტეგრაცია ხელსაყრელია იმ პროგრამებისთვის, რომლებიც საჭიროებენ ექსტრემალურ მინიატურულობას, ენერგიის დაბალ მოხმარებას და მაღალსიჩქარიან მონაცემთა გადაცემას. ამის ნაცვლად, მრავალ ჩიპური ინტეგრაცია გთავაზობთ დიზაინის უფრო მეტ მოქნილობას და იყენებს არსებულ წარმოების შესაძლებლობებს, რაც მას შესაფერისია პროგრამებისთვის, სადაც ეს ფაქტორები აღემატება უფრო მკაცრი ინტეგრაციის სარგებელს. როგორც კვლევა ვითარდება, ჰიბრიდული მიდგომები, რომლებიც აერთიანებს ორივე სტრატეგიის ელემენტებს, ასევე იკვლევენ სისტემის მუშაობის ოპტიმიზაციას, ხოლო თითოეულ მიდგომასთან დაკავშირებული გამოწვევების შემსუბუქებისას.