光電子集積法

オプトエレクトロニクス統合方法

の統合フォトニクスそしてエレクトロニクスは、情報処理システムの機能を向上させるための重要なステップであり、より高速なデータ転送速度、より低い消費電力、よりコンパクトなデバイス設計を可能にし、システム設計に大きな新たな機会を切り開きます。統合方法は一般に、モノリシック統合とマルチチップ統合の 2 つのカテゴリに分類されます。

モノリシック統合
モノリシック統合には、通常、互換性のある材料とプロセスを使用して、同じ基板上にフォトニックコンポーネントと電子コンポーネントを製造することが含まれます。このアプローチは、単一チップ内で光と電気の間のシームレスなインターフェースを作成することに焦点を当てています。
利点:
1. 相互接続損失の削減: フォトンと電子コンポーネントを近接して配置することで、オフチップ接続に関連する信号損失を最小限に抑えます。
2、パフォーマンスの向上: 統合が強化されると、信号パスが短くなり、遅延が減少するため、データ転送速度が向上します。
3. 小型サイズ: 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益です。
4、消費電力の削減: 個別のパッケージや長距離相互接続の必要性がなくなり、電力要件が大幅に削減されます。
チャレンジ：
1) 材料の互換性: 高品質の電子機能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、多くの場合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低下させることなく、エレクトロニクスと光子の多様な製造プロセスを同じ基板上に統合することは、複雑な作業です。
4、複雑な製造: 電子およびフォトニクス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、機能ごとに材料とプロセスをより柔軟に選択できるようになります。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が異なるプロセスから来て、一緒に組み立てられて、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、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てみましょう。直接結合: この技術には、2 つの平面の直接の物理的接触と結合が含まれ、通常は分子結合力、熱、圧力によって促進されます。シンプルで接続損失が非常に低い可能性があるという利点がありますが、正確に位置合わせされたきれいな表面が必要です。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がフォトニックチップのエッジまたは表面に位置合わせされて接着され、チップの内外で光が結合できるようになります。回折格子は垂直結合にも使用でき、フォトニックチップと外部ファイバー間の光の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相互接続であり、チップを 3 次元に積層することができます。マイクロ凸点と組み合わせることで、高密度集積に適した、積層構成での電子チップとフォトニックチップ間の電気接続の実現に役立ちます。光中間層: 光中間層は、チップ間で光信号をルーティングするための仲介として機能する光導波路を含む別個の基板です。正確な位置合わせと追加のパッシブが可能になります。光学部品統合して接続の柔軟性を高めることができます。ハイブリッドボンディング: この高度なボンディング技術は、ダイレクトボンディングとマイクロバンプ技術を組み合わせて、チップ間の高密度電気接続と高品質の光インターフェースを実現します。これは、高性能光電子集積化に特に有望です。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、はんだバンプを使用して電気接続を作成します。ただし、光電子集積の文脈では、熱応力によるフォトニックコンポーネントへの損傷の回避と光学的アライメントの維持に特別な注意を払う必要があります。

図 1: 電子/光子のチップ間結合スキーム

これらのアプローチの利点は重要です。CMOS の世界がムーアの法則の改善を追い続けているため、各世代の CMOS または Bi-CMOS 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ることが可能になり、最高のプロセスの利点を享受できるようになります。フォトニクスとエレクトロニクス。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せず（キーサイズは約100ナノメートルが一般的）、デバイスはトランジスタに比べて大きいため、経済的考慮により、フォトニクスデバイスは先進的なプロセスとは切り離された別のプロセスで製造される傾向にある。最終製品に必要な電子機器。
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達成できます。
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ことで、生産を簡素化し、コストを削減できます。
3、より簡単なアップグレードとメンテナンス: コンポーネントが分離されているため、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、複雑な調整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ングと相互接続が必要となり、その結果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: 信号経路が長くなり、パッケージが追加されると、モノリシック集積と比較し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、サイズの制約、コストの考慮事項、テクノロジーの成熟度など、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、モノリシック集積は、極度の小型化、低消費電力、および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。その代わりに、マルチチップ統合により設計の柔軟性が向上し、既存の製造能力が活用されるため、これらの要素がより緊密な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、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、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ています。