Dull integreiddio optoelectronig

Optoelectronegdull integreiddio

Integreiddioffotonigac electroneg yn gam allweddol wrth wella galluoedd systemau prosesu gwybodaeth, gan alluogi cyfraddau trosglwyddo data cyflymach, defnydd pŵer is a dyluniadau dyfeisiau mwy cryno, ac agor cyfleoedd newydd enfawr ar gyfer dylunio systemau. Yn gyffredinol, mae dulliau integreiddio yn cael eu rhannu'n ddau gategori: integreiddio monolithig ac integreiddio aml-sglodion.

Integreiddio monolithig
Mae integreiddio monolithig yn cynnwys cynhyrchu cydrannau ffotonig ac electronig ar yr un swbstrad, gan ddefnyddio deunyddiau a phrosesau cydnaws fel arfer. Mae'r dull hwn yn canolbwyntio ar greu rhyngwyneb di-dor rhwng golau a thrydan o fewn un sglodion.
Manteision:
1. Lleihau colledion rhyng-gysylltu: Mae gosod ffotonau a chydrannau electronig yn agos at ei gilydd yn lleihau colledion signal sy'n gysylltiedig â chysylltiadau oddi ar y sglodion.
2, Perfformiad gwell: Gall integreiddio tynnach arwain at gyflymder trosglwyddo data cyflymach oherwydd llwybrau signal byrrach a llai o oedi.
3, Maint llai: Mae integreiddio monolithig yn caniatáu dyfeisiau cryno iawn, sy'n arbennig o fuddiol ar gyfer cymwysiadau cyfyngedig o ran lle, fel canolfannau data neu ddyfeisiau llaw.
4, lleihau'r defnydd o bŵer: dileu'r angen am becynnau ar wahân a rhyng-gysylltiadau pellter hir, a all leihau gofynion pŵer yn sylweddol.
Her:
1) Cydnawsedd deunyddiau: Gall dod o hyd i ddeunyddiau sy'n cefnogi electronau o ansawdd uchel a swyddogaethau ffotonig fod yn heriol oherwydd yn aml mae angen priodweddau gwahanol arnynt.
2, cydnawsedd prosesau: Mae integreiddio'r prosesau gweithgynhyrchu amrywiol ar gyfer electroneg a ffotonau ar yr un swbstrad heb ddiraddio perfformiad unrhyw un gydran yn dasg gymhleth.
4, Gweithgynhyrchu cymhleth: Mae'r manylder uchel sydd ei angen ar gyfer strwythurau electronig a ffotonig yn cynyddu cymhlethdod a chost gweithgynhyrchu.

Integreiddio aml-sglodion
Mae'r dull hwn yn caniatáu mwy o hyblygrwydd wrth ddewis deunyddiau a phrosesau ar gyfer pob swyddogaeth. Yn yr integreiddio hwn, mae'r cydrannau electronig a ffotonig yn dod o wahanol brosesau ac yna'n cael eu cydosod a'u gosod ar becyn neu swbstrad cyffredin (Ffigur 1). Nawr, gadewch i ni restru'r dulliau bondio rhwng sglodion optoelectronig. Bondio uniongyrchol: Mae'r dechneg hon yn cynnwys cyswllt corfforol uniongyrchol a bondio dau arwyneb planar, a hwylusir fel arfer gan rymoedd bondio moleciwlaidd, gwres a phwysau. Mae ganddo'r fantais o symlrwydd a chysylltiadau colled isel iawn o bosibl, ond mae angen arwynebau wedi'u halinio'n fanwl gywir a glân. Cyplu ffibr/grat: Yn y cynllun hwn, mae'r ffibr neu'r arae ffibr wedi'i alinio a'i bondio i ymyl neu arwyneb y sglodion ffotonig, gan ganiatáu i olau gael ei gyplu i mewn ac allan o'r sglodion. Gellir defnyddio'r grat hefyd ar gyfer cyplu fertigol, gan wella effeithlonrwydd trosglwyddo golau rhwng y sglodion ffotonig a'r ffibr allanol. Tyllau trwy-silicon (TSVs) a micro-lympiau: Mae tyllau trwy-silicon yn rhyng-gysylltiadau fertigol trwy swbstrad silicon, gan ganiatáu i'r sglodion gael eu pentyrru mewn tri dimensiwn. Ynghyd â phwyntiau micro-amgrwm, maent yn helpu i gyflawni cysylltiadau trydanol rhwng sglodion electronig a ffotonig mewn cyfluniadau wedi'u pentyrru, sy'n addas ar gyfer integreiddio dwysedd uchel. Haen gyfryngol optegol: Mae'r haen gyfryngol optegol yn swbstrad ar wahân sy'n cynnwys tonfeddi optegol sy'n gwasanaethu fel cyfryngwr ar gyfer llwybro signalau optegol rhwng sglodion. Mae'n caniatáu aliniad manwl gywir, a goddefol ychwanegolcydrannau optegolgellir ei integreiddio i gynyddu hyblygrwydd cysylltu. Bondio hybrid: Mae'r dechnoleg bondio uwch hon yn cyfuno bondio uniongyrchol a thechnoleg micro-bwmp i gyflawni cysylltiadau trydanol dwysedd uchel rhwng sglodion a rhyngwynebau optegol o ansawdd uchel. Mae'n arbennig o addawol ar gyfer cyd-integreiddio optoelectronig perfformiad uchel. Bondio bwmp sodr: Yn debyg i fondio sglodion fflip, defnyddir bwmpiau sodr i greu cysylltiadau trydanol. Fodd bynnag, yng nghyd-destun integreiddio optoelectronig, rhaid rhoi sylw arbennig i osgoi difrod i gydrannau ffotonig a achosir gan straen thermol a chynnal aliniad optegol.

Ffigur 1: Cynllun bondio sglodion-i-sglodion electron/ffoton

Mae manteision y dulliau hyn yn sylweddol: Wrth i fyd CMOS barhau i ddilyn gwelliannau yng Nghyfraith Moore, bydd yn bosibl addasu pob cenhedlaeth o CMOS neu Bi-CMOS yn gyflym ar sglodion ffotonig silicon rhad, gan elwa o fanteision y prosesau gorau mewn ffotonig ac electroneg. Gan nad yw ffotonig yn gyffredinol yn gofyn am weithgynhyrchu strwythurau bach iawn (mae meintiau allweddol o tua 100 nanometr yn nodweddiadol) a bod dyfeisiau'n fawr o'u cymharu â transistorau, bydd ystyriaethau economaidd yn tueddu i wthio dyfeisiau ffotonig i gael eu cynhyrchu mewn proses ar wahân, ar wahân i unrhyw electroneg uwch sydd ei hangen ar gyfer y cynnyrch terfynol.
Manteision:
1, hyblygrwydd: Gellir defnyddio gwahanol ddeunyddiau a phrosesau ar wahân i gyflawni'r perfformiad gorau o gydrannau electronig a ffotonig.
2, aeddfedrwydd prosesau: gall defnyddio prosesau gweithgynhyrchu aeddfed ar gyfer pob cydran symleiddio cynhyrchu a lleihau costau.
3, Uwchraddio a chynnal a chadw haws: Mae gwahanu cydrannau yn caniatáu i gydrannau unigol gael eu disodli neu eu huwchraddio'n haws heb effeithio ar y system gyfan.
Her:
1, colli rhyng-gysylltiad: Mae'r cysylltiad oddi ar y sglodion yn cyflwyno colli signal ychwanegol ac efallai y bydd angen gweithdrefnau alinio cymhleth.
2, cymhlethdod a maint cynyddol: Mae angen pecynnu a rhyng-gysylltiadau ychwanegol ar gydrannau unigol, gan arwain at feintiau mwy a chostau uwch o bosibl.
3, defnydd pŵer uwch: Gall llwybrau signal hirach a phecynnu ychwanegol gynyddu gofynion pŵer o'i gymharu ag integreiddio monolithig.
Casgliad:
Mae dewis rhwng integreiddio monolithig ac aml-sglodion yn dibynnu ar ofynion penodol i'r cymhwysiad, gan gynnwys nodau perfformiad, cyfyngiadau maint, ystyriaethau cost, ac aeddfedrwydd technoleg. Er gwaethaf cymhlethdod gweithgynhyrchu, mae integreiddio monolithig yn fanteisiol ar gyfer cymwysiadau sydd angen miniatureiddio eithafol, defnydd pŵer isel, a throsglwyddo data cyflym. Yn lle hynny, mae integreiddio aml-sglodion yn cynnig mwy o hyblygrwydd dylunio ac yn defnyddio galluoedd gweithgynhyrchu presennol, gan ei wneud yn addas ar gyfer cymwysiadau lle mae'r ffactorau hyn yn gorbwyso manteision integreiddio tynnach. Wrth i ymchwil fynd rhagddi, mae dulliau hybrid sy'n cyfuno elfennau o'r ddwy strategaeth hefyd yn cael eu harchwilio i optimeiddio perfformiad system wrth liniaru'r heriau sy'n gysylltiedig â phob dull.