ოპტოელექტრონული ინტეგრაციის მეთოდი

ოპტოელექტრონულიინტეგრაციის მეთოდი

ინტეგრაციაფოტონიკადა ელექტრონიკა ინფორმაციის დამუშავების სისტემების შესაძლებლობების გაუმჯობესების მნიშვნელოვანი ნაბიჯია, რაც უზრუნველყოფს მონაცემთა გადაცემის უფრო სწრაფ სიჩქარეს, ენერგიის მოხმარების შემცირებას და უფრო კომპაქტური მოწყობილობების დიზაინს, ასევე სისტემის დიზაინის უზარმაზარ ახალ შესაძლებლობებს. ინტეგრაციის მეთოდები ზოგადად იყოფა ორ კატეგორიად: მონოლითური ინტეგრაცია და მრავალჩიპიანი ინტეგრაცია.

მონოლითური ინტეგრაცია
მონოლითური ინტეგრაცია გულისხმობს ფოტონური და ელექტრონული კომპონენტების წარმოებას ერთსა და იმავე სუბსტრატზე, როგორც წესი, თავსებადი მასალებისა და პროცესების გამოყენებით. ეს მიდგომა ფოკუსირებულია სინათლესა და ელექტროენერგიას შორის უწყვეტი ინტერფეისის შექმნაზე ერთ ჩიპში.
უპირატესობები:
1. ურთიერთდაკავშირების დანაკარგების შემცირება: ფოტონებისა და ელექტრონული კომპონენტების ახლოს განთავსება მინიმუმამდე ამცირებს ჩიპგარე კავშირებთან დაკავშირებულ სიგნალის დანაკარგებს.
2, გაუმჯობესებული შესრულება: უფრო მჭიდრო ინტეგრაციამ შეიძლება გამოიწვიოს მონაცემთა გადაცემის უფრო სწრაფი სიჩქარე სიგნალის უფრო მოკლე გზების და შემცირებული შეყოვნების გამო.
3, მცირე ზომა: მონოლითური ინტეგრაცია საშუალებას იძლევა შეიქმნას მაღალი კომპაქტურობის მოწყობილობები, რაც განსაკუთრებით სასარგებლოა შეზღუდული სივრცის მქონე აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა მონაცემთა ცენტრები ან ხელის მოწყობილობები.
4, ენერგიის მოხმარების შემცირება: გამორიცხავს ცალკეული პაკეტებისა და საქალაქთაშორისო ურთიერთდაკავშირების საჭიროებას, რამაც შეიძლება მნიშვნელოვნად შეამციროს ენერგიის მოთხოვნები.
გამოწვევა:
1) მასალების თავსებადობა: ისეთი მასალების პოვნა, რომლებიც უზრუნველყოფენ როგორც მაღალი ხარისხის ელექტრონებს, ასევე ფოტონურ ფუნქციებს, შეიძლება რთული იყოს, რადგან მათ ხშირად განსხვავებული თვისებები სჭირდებათ.
2, პროცესის თავსებადობა: ელექტრონიკისა და ფოტონების მრავალფეროვანი წარმოების პროცესების ერთ სუბსტრატზე ინტეგრირება რომელიმე კომპონენტის მუშაობის გაუარესების გარეშე რთული ამოცანაა.
4, რთული წარმოება: ელექტრონული და ფოტონური სტრუქტურებისთვის საჭირო მაღალი სიზუსტე ზრდის წარმოების სირთულეს და ღირებულებას.

მრავალჩიპიანი ინტეგრაცია
ეს მიდგომა უფრო მეტ მოქნილობას იძლევა თითოეული ფუნქციისთვის მასალებისა და პროცესების შერჩევისას. ამ ინტეგრაციისას, ელექტრონული და ფოტონური კომპონენტები სხვადასხვა პროცესიდან მოდის და შემდეგ ერთად იკრიბება და თავსდება საერთო შეფუთვაზე ან სუბსტრატზე (სურათი 1). ახლა მოდით ჩამოვთვალოთ ოპტოელექტრონულ ჩიპებს შორის შეერთების რეჟიმები. პირდაპირი შეერთება: ეს ტექნიკა გულისხმობს ორი ბრტყელი ზედაპირის პირდაპირ ფიზიკურ კონტაქტს და შეერთებას, რაც ჩვეულებრივ ხელს უწყობს მოლეკულური შეერთების ძალები, სითბო და წნევა. მას აქვს სიმარტივის და პოტენციურად ძალიან დაბალი დანაკარგების მქონე კავშირების უპირატესობა, მაგრამ მოითხოვს ზუსტად გასწორებულ და სუფთა ზედაპირებს. ბოჭკოვანი/ბადის შეერთება: ამ სქემაში, ბოჭკოვანი ან ბოჭკოვანი მასივი გასწორებულია და მიმაგრებულია ფოტონური ჩიპის კიდეზე ან ზედაპირზე, რაც საშუალებას იძლევა სინათლის შეერთება ჩიპში და მის გარეთ. ბადე ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას ვერტიკალური შეერთებისთვის, რაც აუმჯობესებს სინათლის გადაცემის ეფექტურობას ფოტონურ ჩიპსა და გარე ბოჭკოს შორის. გამჭოლი სილიციუმის ხვრელები (TSV) და მიკრო-დაბურცვები: გამჭოლი სილიციუმის ხვრელები არის ვერტიკალური ურთიერთდაკავშირებები სილიციუმის სუბსტრატის მეშვეობით, რაც საშუალებას იძლევა ჩიპები სამ განზომილებაში განლაგდეს. მიკრო-ამოზნექილ წერტილებთან ერთად, ისინი ხელს უწყობენ ელექტრონულ და ფოტონურ ჩიპებს შორის ელექტრული კავშირების მიღწევას ერთმანეთზე დაწყობილ კონფიგურაციებში, რაც შესაფერისია მაღალი სიმკვრივის ინტეგრაციისთვის. ოპტიკური შუალედური ფენა: ოპტიკური შუალედური ფენა არის ცალკე სუბსტრატი, რომელიც შეიცავს ოპტიკურ ტალღგამტარებს, რომლებიც შუამავლის როლს ასრულებენ ჩიპებს შორის ოპტიკური სიგნალების მარშრუტიზაციისთვის. ის საშუალებას იძლევა ზუსტი გასწორებისა და დამატებითი პასიურობის.ოპტიკური კომპონენტებიშესაძლებელია ინტეგრირება კავშირის მოქნილობის გაზრდის მიზნით. ჰიბრიდული შეერთება: ეს მოწინავე შეერთების ტექნოლოგია აერთიანებს პირდაპირ შეერთებას და მიკრო-დარტყმების ტექნოლოგიას ჩიპებსა და მაღალი ხარისხის ოპტიკურ ინტერფეისებს შორის მაღალი სიმკვრივის ელექტრული კავშირების მისაღწევად. ის განსაკუთრებით პერსპექტიულია მაღალი ხარისხის ოპტოელექტრონული კოინტეგრაციისთვის. შედუღების დარტყმების შეერთება: ჩიპის გადაბრუნების მსგავსად, შედუღების დარტყმები გამოიყენება ელექტრული კავშირების შესაქმნელად. თუმცა, ოპტოელექტრონული ინტეგრაციის კონტექსტში, განსაკუთრებული ყურადღება უნდა მიექცეს თერმული სტრესით გამოწვეული ფოტონური კომპონენტების დაზიანების თავიდან აცილებას და ოპტიკური გასწორების შენარჩუნებას.

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

ამ მიდგომების სარგებელი მნიშვნელოვანია: რადგან CMOS სამყარო აგრძელებს მურის კანონის გაუმჯობესებების თვალყურის დევნებას, შესაძლებელი გახდება CMOS-ის ან Bi-CMOS-ის თითოეული თაობის სწრაფად ადაპტირება იაფ სილიკონის ფოტონურ ჩიპზე, რაც ფოტონიკისა და ელექტრონიკის საუკეთესო პროცესების სარგებელს მოიმკის. იმის გამო, რომ ფოტონიკა ზოგადად არ საჭიროებს ძალიან მცირე სტრუქტურების დამზადებას (ტიპიურია დაახლოებით 100 ნანომეტრის გასაღებების ზომები) და მოწყობილობები ტრანზისტორებთან შედარებით დიდია, ეკონომიკური მოსაზრებები, როგორც წესი, ფოტონური მოწყობილობების წარმოებას ცალკე პროცესში აიძულებს, საბოლოო პროდუქტისთვის საჭირო ნებისმიერი მოწინავე ელექტრონიკისგან გამოყოფილს.
უპირატესობები:
1, მოქნილობა: სხვადასხვა მასალისა და პროცესის დამოუკიდებლად გამოყენება შესაძლებელია ელექტრონული და ფოტონური კომპონენტების საუკეთესო შესრულების მისაღწევად.
2, პროცესის სიმწიფე: თითოეული კომპონენტისთვის მოწიფული წარმოების პროცესების გამოყენებამ შეიძლება გაამარტივოს წარმოება და შეამციროს ხარჯები.
3, უფრო მარტივი განახლება და მოვლა: კომპონენტების გამოყოფა საშუალებას იძლევა ცალკეული კომპონენტების უფრო მარტივად შეცვლა ან განახლება მთელი სისტემის დაზიანების გარეშე.
გამოწვევა:
1, ურთიერთდაკავშირების დანაკარგი: ჩიპგარე კავშირი იწვევს სიგნალის დამატებით დანაკარგს და შეიძლება მოითხოვდეს რთულ გასწორების პროცედურებს.
2, გაზრდილი სირთულე და ზომა: ცალკეული კომპონენტები საჭიროებენ დამატებით შეფუთვას და ურთიერთკავშირებს, რაც იწვევს უფრო დიდ ზომებს და პოტენციურად უფრო მაღალ ხარჯებს.
3, უფრო მაღალი ენერგომოხმარება: სიგნალის უფრო გრძელმა ბილიკებმა და დამატებითმა შეფუთვამ შეიძლება გაზარდოს ენერგომოხმარება მონოლითურ ინტეგრაციასთან შედარებით.
დასკვნა:
მონოლითურ და მრავალჩიპიან ინტეგრაციას შორის არჩევანი დამოკიდებულია აპლიკაციის სპეციფიკურ მოთხოვნებზე, მათ შორის შესრულების მიზნებზე, ზომის შეზღუდვებზე, ხარჯების მოსაზრებებსა და ტექნოლოგიურ სიმწიფეზე. წარმოების სირთულის მიუხედავად, მონოლითური ინტეგრაცია უპირატესობას ანიჭებს იმ აპლიკაციებს, რომლებიც საჭიროებენ უკიდურეს მინიატურიზაციას, დაბალი ენერგომოხმარებას და მაღალსიჩქარიან მონაცემთა გადაცემას. ამის ნაცვლად, მრავალჩიპიანი ინტეგრაცია გვთავაზობს დიზაინის უფრო მეტ მოქნილობას და იყენებს არსებულ წარმოების შესაძლებლობებს, რაც მას შესაფერისს ხდის იმ აპლიკაციებისთვის, სადაც ეს ფაქტორები აღემატება უფრო მჭიდრო ინტეგრაციის სარგებელს. კვლევის პროგრესირებასთან ერთად, ასევე განიხილება ჰიბრიდული მიდგომები, რომლებიც აერთიანებს ორივე სტრატეგიის ელემენტებს სისტემის მუშაობის ოპტიმიზაციისა და თითოეულ მიდგომასთან დაკავშირებული გამოწვევების შემცირების მიზნით.