Metode integrasi optoelektronik

Optoelektronikmetode integrasi

Integrasi darifotonikdan elektronik merupakan langkah penting dalam meningkatkan kemampuan sistem pemrosesan informasi, memungkinkan kecepatan transfer data yang lebih cepat, konsumsi daya yang lebih rendah dan desain perangkat yang lebih ringkas, serta membuka peluang baru yang besar untuk desain sistem. Metode integrasi umumnya dibagi menjadi dua kategori: integrasi monolitik dan integrasi multi-chip.

Integrasi monolitik
Integrasi monolitik melibatkan pembuatan komponen fotonik dan elektronik pada substrat yang sama, biasanya menggunakan bahan dan proses yang kompatibel. Pendekatan ini berfokus pada penciptaan antarmuka yang mulus antara cahaya dan listrik dalam satu chip.
Keuntungan:
1. Mengurangi kerugian interkoneksi: Menempatkan foton dan komponen elektronik dalam jarak dekat meminimalkan kehilangan sinyal yang terkait dengan koneksi off-chip.
2, Peningkatan kinerja: Integrasi yang lebih ketat dapat menghasilkan kecepatan transfer data yang lebih cepat karena jalur sinyal yang lebih pendek dan pengurangan latensi.
3, Ukuran lebih kecil: Integrasi monolitik memungkinkan perangkat yang sangat kompak, yang sangat bermanfaat untuk aplikasi dengan ruang terbatas, seperti pusat data atau perangkat genggam.
4, mengurangi konsumsi daya: menghilangkan kebutuhan akan paket terpisah dan interkoneksi jarak jauh, yang secara signifikan dapat mengurangi kebutuhan daya.
Tantangan:
1) Kompatibilitas material: Menemukan material yang mendukung fungsi elektron dan fotonik berkualitas tinggi dapat menjadi tantangan karena seringkali memerlukan sifat yang berbeda.
2, kompatibilitas proses: Mengintegrasikan beragam proses manufaktur elektronik dan foton pada substrat yang sama tanpa menurunkan kinerja salah satu komponen adalah tugas yang kompleks.
4, Manufaktur yang kompleks: Presisi tinggi yang diperlukan untuk struktur elektronik dan fotonik meningkatkan kompleksitas dan biaya produksi.

Integrasi multi-chip
Pendekatan ini memungkinkan fleksibilitas yang lebih besar dalam memilih bahan dan proses untuk setiap fungsi. Dalam integrasi ini, komponen elektronik dan fotonik berasal dari proses yang berbeda dan kemudian dirakit bersama dan ditempatkan pada paket atau substrat yang sama (Gambar 1). Sekarang mari kita daftar mode ikatan antara chip optoelektronik. Ikatan langsung: Teknik ini melibatkan kontak fisik langsung dan ikatan dua permukaan datar, biasanya difasilitasi oleh gaya ikatan molekul, panas, dan tekanan. Keunggulannya adalah kesederhanaan dan potensi kehilangan koneksi yang sangat rendah, namun membutuhkan permukaan yang rata dan bersih. Kopling serat/kisi: Dalam skema ini, serat atau susunan serat disejajarkan dan diikat ke tepi atau permukaan chip fotonik, memungkinkan cahaya digabungkan masuk dan keluar dari chip. Kisi juga dapat digunakan untuk sambungan vertikal, meningkatkan efisiensi transmisi cahaya antara chip fotonik dan serat eksternal. Lubang silikon tembus (TSV) dan benjolan mikro: Lubang silikon tembus merupakan interkoneksi vertikal melalui substrat silikon, memungkinkan chip ditumpuk dalam tiga dimensi. Dikombinasikan dengan titik-titik mikro-cembung, titik-titik ini membantu mencapai sambungan listrik antara chip elektronik dan fotonik dalam konfigurasi bertumpuk, cocok untuk integrasi kepadatan tinggi. Lapisan perantara optik: Lapisan perantara optik adalah substrat terpisah yang berisi pandu gelombang optik yang berfungsi sebagai perantara untuk merutekan sinyal optik antar chip. Ini memungkinkan penyelarasan yang tepat, dan tambahan pasifkomponen optikdapat diintegrasikan untuk meningkatkan fleksibilitas koneksi. Ikatan hibrid: Teknologi ikatan canggih ini menggabungkan teknologi ikatan langsung dan teknologi micro-bump untuk mencapai sambungan listrik berdensitas tinggi antara chip dan antarmuka optik berkualitas tinggi. Hal ini sangat menjanjikan untuk kointegrasi optoelektronik berkinerja tinggi. Ikatan tonjolan solder: Mirip dengan ikatan chip flip, tonjolan solder digunakan untuk membuat sambungan listrik. Namun, dalam konteks integrasi optoelektronik, perhatian khusus harus diberikan untuk menghindari kerusakan komponen fotonik yang disebabkan oleh tekanan termal dan menjaga keselarasan optik.

Gambar 1: : Skema Pengikatan chip-ke-chip elektron/foton

Manfaat dari pendekatan ini sangat signifikan: Ketika dunia CMOS terus mengikuti perbaikan dalam Hukum Moore, setiap generasi CMOS atau Bi-CMOS dapat dengan cepat diadaptasi ke dalam chip fotonik silikon yang murah, sehingga mendapatkan manfaat dari proses terbaik di dunia. fotonik dan elektronik. Karena fotonik umumnya tidak memerlukan pembuatan struktur yang sangat kecil (umumnya ukuran kunci sekitar 100 nanometer) dan perangkat berukuran besar dibandingkan dengan transistor, pertimbangan ekonomi akan cenderung mendorong perangkat fotonik untuk diproduksi dalam proses terpisah, terpisah dari teknologi canggih apa pun. elektronik yang diperlukan untuk produk akhir.
Keuntungan:
1, fleksibilitas: Bahan dan proses yang berbeda dapat digunakan secara independen untuk mencapai kinerja terbaik komponen elektronik dan fotonik.
2, kematangan proses: penggunaan proses manufaktur yang matang untuk setiap komponen dapat menyederhanakan produksi dan mengurangi biaya.
3, Peningkatan dan pemeliharaan yang lebih mudah: Pemisahan komponen memungkinkan komponen individual diganti atau ditingkatkan dengan lebih mudah tanpa mempengaruhi keseluruhan sistem.
Tantangan:
1, kehilangan interkoneksi: Koneksi off-chip menyebabkan kehilangan sinyal tambahan dan mungkin memerlukan prosedur penyelarasan yang rumit.
2, peningkatan kompleksitas dan ukuran: Masing-masing komponen memerlukan pengemasan dan interkoneksi tambahan, sehingga menghasilkan ukuran yang lebih besar dan potensi biaya yang lebih tinggi.
3, konsumsi daya yang lebih tinggi: Jalur sinyal yang lebih panjang dan pengemasan tambahan dapat meningkatkan kebutuhan daya dibandingkan dengan integrasi monolitik.
Kesimpulan:
Memilih antara integrasi monolitik dan multi-chip bergantung pada persyaratan spesifik aplikasi, termasuk sasaran kinerja, batasan ukuran, pertimbangan biaya, dan kematangan teknologi. Meskipun manufakturnya rumit, integrasi monolitik bermanfaat untuk aplikasi yang memerlukan miniaturisasi ekstrem, konsumsi daya rendah, dan transmisi data berkecepatan tinggi. Sebaliknya, integrasi multi-chip menawarkan fleksibilitas desain yang lebih besar dan memanfaatkan kemampuan manufaktur yang ada, sehingga cocok untuk aplikasi yang faktor-faktornya lebih besar daripada manfaat integrasi yang lebih erat. Seiring dengan kemajuan penelitian, pendekatan hibrid yang menggabungkan elemen kedua strategi juga sedang dieksplorasi untuk mengoptimalkan kinerja sistem sekaligus memitigasi tantangan yang terkait dengan setiap pendekatan.