שיטת שילוב אופטו -אלקטרוני

אופטו -אלקטרונישיטת אינטגרציה

שילוב שלפוטוניקהואלקטרוניקה היא שלב מפתח בשיפור היכולות של מערכות עיבוד מידע, מאפשרת שיעורי העברת נתונים מהירים יותר, צריכת חשמל נמוכה יותר ועיצובים של מכשירים קומפקטיים יותר, ופתיחת הזדמנויות ענק חדשות לעיצוב המערכת. שיטות אינטגרציה מחולקות בדרך כלל לשתי קטגוריות: שילוב מונוליטי ושילוב רב-שבבי.

שילוב מונוליטי
שילוב מונוליטי כולל ייצור רכיבים פוטוניים ואלקטרוניים באותו מצע, בדרך כלל באמצעות חומרים ותהליכים תואמים. גישה זו מתמקדת ביצירת ממשק חלק בין אור לחשמל בתוך שבב יחיד.
יתרונות:
1. צמצם את הפסדי החיבור: הצבת פוטונים ורכיבים אלקטרוניים בסמיכות ממזערת את הפסדי האות הקשורים לחיבורים מחוץ לשבבים.
2, ביצועים משופרים: שילוב הדוק יותר יכול להוביל למהירויות העברת נתונים מהירות יותר בגלל נתיבי איתות קצרים יותר וירידה בחביון.
3, גודל קטן יותר: שילוב מונוליטי מאפשר מכשירים קומפקטיים ביותר, המועילים במיוחד ליישומים מוגבלים בחלל, כגון מרכזי נתונים או מכשירים כף יד.
4, צמצם את צריכת החשמל: ביטול את הצורך בחבילות נפרדות וקשרי חיבורים למרחקים ארוכים, שיכולים להפחית משמעותית את דרישות הכוח.
אֶתגָר:
1) תאימות חומרים: מציאת חומרים התומכים הן באלקטרונים באיכות גבוהה והן בתפקודים פוטוניים יכולה להיות מאתגרת מכיוון שלעתים קרובות הם דורשים תכונות שונות.
2, תאימות תהליכים: שילוב תהליכי הייצור המגוונים של אלקטרוניקה ופוטונים על אותו מצע מבלי להשפיל את הביצועים של רכיב כלשהו הוא משימה מורכבת.
4, ייצור מורכב: הדיוק הגבוה הנדרש למבנים אלקטרוניים ופוטונוניים מגדיל את המורכבות ואת עלות הייצור.

שילוב רב-שבבי
גישה זו מאפשרת גמישות רבה יותר בבחירת חומרים ותהליכים עבור כל פונקציה. בשילוב זה, הרכיבים האלקטרוניים והפוטוניים מגיעים מתהליכים שונים ואז מורכבים יחד ומונחים על חבילה או מצע משותף (איור 1). כעת נפרט את מצבי ההדבקה בין שבבי אופטו -אלקטרוניים. מליטה ישירה: טכניקה זו כוללת קשר פיזי ישיר ומליטה של ​​שני משטחים מישוריים, בדרך כלל הקלה על ידי כוחות מליטה מולקולרית, חום ולחץ. יש לו יתרון של פשטות וחיבורי אובדן נמוך מאוד, אך דורש משטחים מיושרים ונקיים במדויק. צימוד סיבים/סורג: בתכנית זו, מערך הסיבים או הסיבים מיושרים וקשורים לקצה או פני השטח של השבב הפוטוני, ומאפשר לחיבור אור אל תוך השבב ומחוצה לו. ניתן להשתמש בסורג גם לצילום אנכי, ולשפר את היעילות של העברת האור בין השבב הפוטוני לסיב החיצוני. חורים דרך סיליקון (TSVs) ומיקרו-גאושים: חורים דרך סיליקון הם חיבורים אנכיים דרך מצע סיליקון, ומאפשרים לערום את השבבים בשלושה ממדים. בשילוב עם נקודות מיקרו-קמוניות, הם עוזרים להשיג חיבורים חשמליים בין שבבים אלקטרוניים ופוטוניים בתצורות מוערמות, המתאימות לשילוב בצפיפות גבוהה. שכבת מתווך אופטית: שכבת המתווך האופטי היא מצע נפרד המכיל מדריכי גל אופטיים המשמשים מתווך לניתוב אותות אופטיים בין שבבים. זה מאפשר יישור מדויק, ופסיבי נוסףרכיבים אופטייםניתן לשלב עבור גמישות חיבור מוגברת. מליטה היברידית: טכנולוגיית מליטה מתקדמת זו משלבת מליטה ישירה וטכנולוגיית מיקרו-בקש כדי להשיג חיבורים חשמליים בצפיפות גבוהה בין שבבים לממשקים אופטיים באיכות גבוהה. זה מבטיח במיוחד לאינטגרציה משותפת של אופטו-אלקטרונית בעלת ביצועים גבוהים. מליטה בליטת הלחמה: בדומה למליטה של ​​שבב הפוך, בליטות הלחמה משמשות ליצירת חיבורים חשמליים. עם זאת, בהקשר של שילוב אופטו -אלקטרוני, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת כדי להימנע מפגיעה ברכיבים פוטוניים הנגרמים כתוצאה ממתח תרמי ושמירה על יישור אופטי.

איור 1 ::: תוכנית מליטה של ​​שבב לשבב אלקטרונים/פוטון

היתרונות של גישות אלה הם משמעותיים: מכיוון שעולם ה- CMOS ממשיך לעקוב אחר שיפורים בחוק מור, ניתן יהיה להתאים במהירות כל דור של CMOs או BI-CMOs לשבב פוטוני סיליקון זול, ולצורף את היתרונות של התהליכים הטובים ביותר בפוטוניקה ואלקטרוניקה. מכיוון שפוטוניקה בדרך כלל אינה דורשת ייצור של מבנים קטנים מאוד (גדלי מפתח של כמאה ננומטרים הם אופייניים) והמכשירים גדולים בהשוואה לטרנזיסטורים, שיקולים כלכליים נוטים לדחוף מכשירים פוטוניים לייצור בתהליך נפרד, המופרדים מכל אלקטרוניקה מתקדמת הנדרשת לתוצר הסופי.
יתרונות:
1, גמישות: ניתן להשתמש בחומרים ותהליכים שונים באופן עצמאי כדי להשיג את הביצועים הטובים ביותר של רכיבים אלקטרוניים ופוטוניים.
2, בגרות תהליכים: השימוש בתהליכי ייצור בוגרים עבור כל רכיב יכול לפשט את הייצור ולהפחית עלויות.
3, שדרוג ותחזוקה קלים יותר: הפרדת הרכיבים מאפשרת להחליף או לשדרג רכיבים בודדים ביתר קלות מבלי להשפיע על המערכת כולה.
אֶתגָר:
1, אובדן חיבורים: חיבור מחוץ לשבב מציג אובדן אות נוסף ועשוי לדרוש נהלי יישור מורכבים.
2, מורכבות מוגברת וגודל: רכיבים בודדים דורשים אריזה וחיבורים נוספים, וכתוצאה מכך גדלים גדולים יותר ועלויות פוטנציאליות גבוהות יותר.
3, צריכת חשמל גבוהה יותר: נתיבי אות ארוכים יותר ואריזה נוספת עשויים להגדיל את דרישות הספק בהשוואה לשילוב מונוליטי.
מַסְקָנָה:
בחירה בין שילוב מונוליטי ורב-שבבי תלויה בדרישות הספציפיות ליישום, כולל יעדי ביצועים, אילוצי גודל, שיקולי עלות ובגרות טכנולוגית. למרות מורכבות הייצור, שילוב מונוליטי מועיל ליישומים הדורשים מיניאטור קיצוני, צריכת חשמל נמוכה והעברת נתונים במהירות גבוהה. במקום זאת, שילוב רב שבבים מציע גמישות עיצובית גדולה יותר ומשתמש ביכולות הייצור הקיימות, מה שהופך אותו למתאים ליישומים שבהם גורמים אלה עולים על היתרונות של שילוב הדוק יותר. עם התקדמות המחקר, נבדקות גם גישות היברידיות המשלבות אלמנטים משתי האסטרטגיות כדי לייעל את ביצועי המערכת תוך הפחתת האתגרים הקשורים לכל גישה.