光電子統合法

光電子統合方法

の統合フォトニクスまた、エレクトロニクスは、情報処理システムの機能を改善し、データ転送速度の速度を高め、消費電力の削減とコンパクトなデバイス設計を可能にし、システム設計のための大きな新しい機会を開くための重要なステップです。統合方法は通常、モノリシック統合とマルチチップ統合の2つのカテゴリに分けられます。

モノリシック統合
モノリシック統合には、同じ基板上のフォトニックおよび電子コンポーネントの製造が含まれ、通常は互換性のある材料とプロセスを使用します。このアプローチは、単一のチップ内で光と電気の間にシームレスなインターフェイスを作成することに焦点を当てています。
利点：
1.相互接続損失を減らす：光子と電子コンポーネントを近接に配置すると、チップ接続に関連する信号損失が最小限に抑えられます。
2、パフォーマンスの向上：統合が緊密になると、信号パスが短くレイテンシが低下するため、データ転送速度が高速になります。
3、サイズが小さい：モノリシック統合により、非常にコンパクトなデバイスが可能になります。これは、データセンターやハンドヘルドデバイスなどのスペース制限アプリケーションにとって特に有益です。
4、消費電力を削減する：個別のパッケージと長距離相互接続の必要性を排除します。これにより、電力要件が大幅に削減されます。
チャレンジ：
1）材料の互換性：高品質の電子とフォトニック機能の両方をサポートする材料を見つけることは、しばしば異なる特性を必要とするため、困難な場合があります。
2、プロセスの互換性：1つのコンポーネントの性能を分解することなく、同じ基板上の電子機器と光子の多様な製造プロセスを統合することは、複雑なタスクです。
4、複雑な製造：電子およびフォトノニック構造に必要な高精度により、製造の複雑さとコストが増加します。

マルチチップ統合
このアプローチにより、各機能の材料とプロセスを選択する柔軟性が高まります。この統合では、電子コンポーネントとフォトニックコンポーネントはさまざまなプロセスから来て、一緒に組み立てられ、一般的なパッケージまたは基板に配置されます（図1）。次に、オプトエレクトロニクスチップ間の結合モードをリストしましょう。直接結合：この手法には、通常、分子結合力、熱、圧力によって促進される2つの平面表面の直接的な物理的接触と結合が含まれます。シンプルさと潜在的に非常に低い損失接続の利点がありますが、正確に整列してきれいな表面が必要です。繊維/格子結合：このスキームでは、ファイバーまたはファイバーアレイが整列され、フォトニックチップの端または表面に結合され、チップの内外で光を結合できます。グレーティングは垂直結合にも使用して、フォトニックチップと外部繊維の間の光の伝達の効率を改善することもできます。スルーシリコンホール（TSV）およびマイクロバンプ：スルーシリコンホールは、シリコン基板を介した垂直の相互接続であり、チップを3次元で積み重ねることができます。マイクロコンベックスポイントと組み合わせることで、高密度の統合に適した、積み重ねられた構成で電子チップとフォトニックチップの間の電気接続を実現するのに役立ちます。光学中間層：光学中間層は、チップ間の光信号をルーティングするための中間として機能する光学導波路を含む個別の基質です。正確なアライメントと追加のパッシブが可能になります光学コンポーネント接続の柔軟性を高めるために統合できます。ハイブリッドボンディング：この高度なボンディングテクノロジーは、直接結合とマイクロバンプテクノロジーを組み合わせて、チップと高品質の光学インターフェース間の高密度の電気接続を実現します。これは、高性能光電子共統合で特に有望です。はんだバンプボンディング：フリップチップボンディングと同様に、はんだバンプが使用されて電気接続が作成されます。ただし、光電子統合のコンテキストでは、熱応力と光学アライメントの維持によって引き起こされるフォトニック成分の損傷を回避するために、特に注意を払う必要があります。

図1 ：：：電子/光子チップからチップへの結合スキーム

これらのアプローチの利点は重要です。CMOSの世界はムーアの法律の改善に続いているため、CMOSまたはBI-CMOの各世代を安価なシリコンフォトニックチップに迅速に適応させ、フォトニクスとエレクトロニクスの最良のプロセスの利点を享受することが可能です。フォトニクスは一般に、非常に小さな構造の製造を必要としないため（約100ナノメートルのキーサイズが典型的です）、デバイスはトランジスタに比べて大きいため、経済的な考慮事項は、最終製品に必要な高度な電子機器から分離された別のプロセスでフォトニックデバイスを製造する傾向があります。
利点：
1、柔軟性：異なる材料とプロセスを独立して使用して、電子コンポーネントとフォトニックコンポーネントの最高のパフォーマンスを実現できます。
2、プロセスの成熟度：各コンポーネントに成熟した製造プロセスを使用すると、生産を簡素化し、コストを削減できます。
3、アップグレードとメンテナンスが簡単：コンポーネントの分離により、システム全体に影響を与えることなく、個々のコンポーネントをより簡単に交換またはアップグレードできます。
チャレンジ：
1、相互接続損失：オフチップ接続は追加の信号損失を導入し、複雑なアライメント手順が必要になる場合があります。
2、複雑さとサイズの増加：個々のコンポーネントには、追加のパッケージと相互接続が必要であるため、サイズが大きくなり、コストが高くなります。
3、より高い消費電力：より長い信号経路と追加のパッケージは、モノリシック統合と比較して電力要件を増加させる可能性があります。
結論：
モノリシックとマルチチップの統合を選択することは、パフォーマンス目標、サイズの制約、コストに関する考慮事項、テクノロジーの成熟など、アプリケーション固有の要件に依存します。製造の複雑さにもかかわらず、モノリシック統合は、極端な小型化、低消費電力、高速データ伝送を必要とするアプリケーションにとって有利です。代わりに、マルチチップ統合は設計の柔軟性を高め、既存の製造機能を利用しているため、これらの要因がより厳しい統合の利点を上回るアプリケーションに適しています。研究が進むにつれて、両方の戦略の要素を組み合わせたハイブリッドアプローチも、各アプローチに関連する課題を軽減しながら、システムパフォーマンスを最適化するために調査されています。