光電子工学積分法
の統合フォトニクスチップとエレクトロニクスの融合は、情報処理システムの機能向上における重要なステップであり、データ転送速度の高速化、消費電力の低減、デバイス設計の小型化を実現し、システム設計に新たな大きな可能性をもたらします。統合手法は、一般的に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
モノリシック集積とは、通常は互換性のある材料とプロセスを用いて、光子部品と電子部品を同一基板上に製造することを意味します。このアプローチは、単一チップ内で光と電気のシームレスなインターフェースを実現することに重点を置いています。
利点:
1. 相互接続損失の削減: 光子と電子部品を近接して配置すると、オフ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: より緊密に統合されると、信号パスが短くなり、レイテンシが減少するため、データ転送速度が向上します。
3. 小型化: 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、データ センターやハンドヘルド デバイスなど、スペースが限られたアプリケーションに特に有利です。
4、消費電力の削減：個別のパッケージと長距離相互接続が不要になり、電力要件が大幅に削減されます。
チャレンジ：
1) 材料の適合性: 高品質の電子と光子機能の両方をサポートする材料を見つけるのは、異なる特性が求められることが多いため、困難な場合があります。
2、プロセスの互換性: いずれかのコンポーネントのパフォーマンスを低下させることなく、同じ基板上に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作業です。
4. 複雑な製造：電子構造や光子構造に求められる高精度により、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、各機能に適した材料とプロセスの選択における柔軟性が向上します。この統合では、電子部品と光部品が異なるプロセスで製造され、組み立てられ、共通のパッケージまたは基板上に配置されます（図1）。次に、光電子チップ間の接合モードを列挙します。直接接合：この技術では、2つの平面表面を直接物理的に接触させて接合します。通常、分子結合力、熱、圧力によって接合が促進されます。簡便で、接続損失が非常に低いという利点がありますが、正確に位置合わせされた清浄な表面が必要です。ファイバー/グレーティング結合：この方式では、ファイバーまたはファイバーアレイを光チップのエッジまたは表面に位置合わせして接合することで、チップへの光の入射と出射を可能にします。グレーティングは垂直結合にも使用でき、光チップと外部ファイバー間の光伝送効率を向上させます。シリコン貫通孔（TSV）とマイクロバンプ：シリコン貫通孔は、シリコン基板を貫通する垂直方向の相互接続であり、チップを3次元的に積層することを可能にします。マイクロコンベックスポイントと組み合わせることで、積層構成における電子チップと光チップ間の電気的接続を実現し、高密度集積化に適しています。光中間層：光中間層は、チップ間の光信号をルーティングするための中継として機能する光導波路を含む独立した基板です。これにより、正確な位置合わせが可能になり、追加の受動的な接続が可能になります。光学部品統合することで接続の柔軟性が向上します。ハイブリッドボンディング：この高度なボンディング技術は、直接ボンディングとマイクロバンプ技術を組み合わせることで、チップ間の高密度な電気接続と高品質の光インターフェースを実現します。特に高性能な光電子統合において有望です。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、はんだバンプは電気接続を確立するために使用されます。ただし、光電子統合においては、熱応力による光子部品の損傷を回避し、光学的なアライメントを維持することに特別な注意を払う必要があります。
図1: 電子/光子チップ間ボンディング方式
これらのアプローチの利点は計り知れません。CMOSの世界がムーアの法則の進歩を継続的に追随するにつれ、CMOSまたはBi-CMOS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用し、フォトニクスとエレクトロニクスにおける最先端プロセスの恩恵を享受することが可能になります。フォトニクスでは一般的に非常に小さな構造（キーサイズは約100ナノメートルが一般的）の製造を必要とせず、デバイスはトランジスタに比べて大きいため、経済的な観点から、フォトニックデバイスは最終製品に必要な高度なエレクトロニクスとは別のプロセスで製造される傾向にあります。
利点:
1、柔軟性: さまざまな材料とプロセスを個別に使用して、電子部品と光子部品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、生産が簡素化され、コストが削減されます。
3、アップグレードとメンテナンスの簡素化：コンポーネントを分離することで、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: オフチップ接続により追加の信号損失が発生し、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大: 個々のコンポーネントには追加のパッケージングと相互接続が必要となり、サイズが大きくなり、コストが高くなる可能性があります。
3、消費電力の増加：信号パスが長くなり、パッケージングが追加されるため、モノリシック統合に比べて電力要件が増加する可能性があります。
結論：
モノリシック統合とマルチチップ統合のどちらを選択するかは、パフォーマンス目標、サイズ制約、コスト考慮、技術成熟度など、アプリケーション固有の要件によって異なります。製造の複雑さにもかかわらず、モノリシック統合は、極小化、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有利です。一方、マルチチップ統合は設計の柔軟性が高く、既存の製造能力を活用できるため、これらの要因が緊密な統合のメリット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検討され、システムパフォーマンスを最適化しながら、それぞれのアプローチに関連する課題を軽減しています。
投稿日時: 2024年7月8日