Metode integrasi optoelektronik

Optoelektronikmetode integrasi

Integrasi darifotonikdan elektronika merupakan langkah kunci 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 secara umum 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 pembuatan antarmuka yang mulus antara cahaya dan listrik dalam satu chip.
Keuntungan:
1. Mengurangi kehilangan interkoneksi: Menempatkan foton dan komponen elektronik dalam jarak dekat meminimalkan kehilangan sinyal yang terkait dengan koneksi di luar chip.
2. Peningkatan kinerja: Integrasi yang lebih erat dapat menghasilkan kecepatan transfer data yang lebih cepat karena jalur sinyal yang lebih pendek dan latensi yang berkurang.
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 elektron berkualitas tinggi dan fungsi fotonik 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 satu komponen pun merupakan tugas yang rumit.
4. Manufaktur kompleks: Presisi tinggi yang diperlukan untuk struktur elektronik dan foton meningkatkan kompleksitas dan biaya manufaktur.

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 daftarkan mode ikatan antara chip optoelektronik. Ikatan langsung: Teknik ini melibatkan kontak fisik langsung dan ikatan dua permukaan planar, yang biasanya difasilitasi oleh gaya ikatan molekuler, panas, dan tekanan. Ini memiliki keuntungan dari kesederhanaan dan kemungkinan koneksi kehilangan yang sangat rendah, tetapi membutuhkan permukaan yang selaras dan bersih. Kopling serat/kisi: Dalam skema ini, serat atau susunan serat disejajarkan dan diikat ke tepi atau permukaan chip fotonik, yang memungkinkan cahaya untuk digabungkan masuk dan keluar dari chip. Kisi juga dapat digunakan untuk kopling vertikal, meningkatkan efisiensi transmisi cahaya antara chip fotonik dan serat eksternal. Lubang silikon tembus (TSV) dan tonjolan mikro: Lubang silikon tembus adalah interkoneksi vertikal melalui substrat silikon, yang memungkinkan chip ditumpuk dalam tiga dimensi. Dikombinasikan dengan titik mikro-cembung, mereka membantu mencapai koneksi 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 pemandu gelombang optik yang berfungsi sebagai perantara untuk merutekan sinyal optik di antara chip. Ini memungkinkan penyelarasan yang tepat, dan tambahan pasifkomponen optikdapat diintegrasikan untuk meningkatkan fleksibilitas koneksi. Ikatan hibrida: Teknologi ikatan canggih ini menggabungkan ikatan langsung dan teknologi micro-bump untuk mencapai koneksi listrik berdensitas tinggi antara chip dan antarmuka optik berkualitas tinggi. Teknologi ini sangat menjanjikan untuk kointegrasi optoelektronik berkinerja tinggi. Ikatan solder bump: Mirip dengan ikatan flip chip, solder bump digunakan untuk membuat koneksi listrik. Namun, dalam konteks integrasi optoelektronik, perhatian khusus harus diberikan untuk menghindari kerusakan pada komponen fotonik yang disebabkan oleh tekanan termal dan mempertahankan keselarasan optik.

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

Manfaat dari pendekatan ini signifikan: Karena dunia CMOS terus mengikuti perbaikan dalam Hukum Moore, akan memungkinkan untuk dengan cepat mengadaptasi setiap generasi CMOS atau Bi-CMOS ke dalam chip fotonik silikon yang murah, menuai manfaat dari proses terbaik dalam fotonik dan elektronik. Karena fotonik umumnya tidak memerlukan fabrikasi struktur yang sangat kecil (ukuran kunci sekitar 100 nanometer adalah hal yang umum) dan perangkat berukuran besar dibandingkan dengan transistor, pertimbangan ekonomi akan cenderung mendorong perangkat fotonik untuk diproduksi dalam proses terpisah, terpisah dari elektronik canggih yang diperlukan untuk produk akhir.
Keuntungan:
1, fleksibilitas: Berbagai bahan dan proses 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 lebih mudah: Pemisahan komponen memungkinkan komponen individual diganti atau ditingkatkan lebih mudah tanpa mempengaruhi keseluruhan sistem.
Tantangan:
1, kehilangan interkoneksi: Koneksi di luar chip menimbulkan kehilangan sinyal tambahan dan mungkin memerlukan prosedur penyelarasan yang rumit.
2, peningkatan kompleksitas dan ukuran: Komponen individual memerlukan pengemasan dan interkoneksi tambahan, sehingga menghasilkan ukuran yang lebih besar dan kemungkinan 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:
Pemilihan antara integrasi monolitik dan multi-chip bergantung pada persyaratan khusus aplikasi, termasuk sasaran kinerja, batasan ukuran, pertimbangan biaya, dan kematangan teknologi. Meskipun rumit dalam hal manufaktur, integrasi monolitik menguntungkan 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-faktor ini lebih penting daripada manfaat integrasi yang lebih ketat. Seiring dengan kemajuan penelitian, pendekatan hibrida yang menggabungkan elemen dari kedua strategi juga sedang dieksplorasi untuk mengoptimalkan kinerja sistem sekaligus mengurangi tantangan yang terkait dengan setiap pendekatan.