Базовые принципы создания 3D М ФЭФ М
3D матричные фотон-электрон фотонные модули, предлагаемые ООО «ОЭС», основаны на ряде базовых принципов, включающих новые концепции развития интегральной оптоэлектроники, такие как: кремниево-фотонная технология, арсенид-галлий-алюминиевая (AlGaAs) технология, кремниевые матричные фотон-электронные СБИС, 3D-технология изготовления гибридных интегральных многоканальных схем.
Кремниево-фотонная технология – это кремниевая технология с библиотекой базовых элементов для производства матриц фотон-электронных Si-кристаллов СБИС – М ФЭ СБИС Si с оптическим матричным и электрическим регистровым интерфейсом. М ФЭ СБИС Si строится по двумерной архитектуре с матрицей ячеек функциональных интеллектуальных пикселей. В каждой ячейке пикселя содержатся и последовательно располагаются: фотонная площадка с электронным приёмным устройством, АЦП, функциональная схема (процессор, память, коммутатор и т.д.), ЦАП и усилители тока для лазеров вертикального излучения, интерфейс EMIFA, матричные и регистровые электрические контакты.
Блоки АЦП и ЦАП необходимы для формирования оптического интерфейса ввода-вывода с импульсной аналогово-цифровой модуляцией, что позволяет по одиночному оптическому каналу пикселя передавать или принимать слова из восьми или более бит информации за один такт. М ФЭ СБИС Si имеет три многоканальных интерфейса: матричный-оптический, матричный-электрический (для приёма, передачи информации) и регистровый-электрический (для передачи команд и данных).
М ФЭ СБИС Si выполняет такие основные функции, как обработку данных и обмен информацией по трём интерфейсам, что позволяет получить очень высокий пропускной поток информации за единицу тактовой частоты, и является одним из преимуществ М ФЭ СБИС Si перед электронными СБИС.
Арсенид-галлий-алюминиевая (AlGaAs) технология – это технология для производства матриц электрон-фотонных кристаллов лазеров вертикального излучения VCSEL – М ЭФ СБИС VCSEL. Вертикально-излучающие лазерные диоды VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) диапазонов длин волн 850/980 нм стали базовыми приборами для оптоволоконных систем передачи данных со скоростями до 10 Гбит/с.
Технологии кремниевых мат- ричных фотон-электронных СБИС позволяют создавать ряды функциональных матричных М ФЭ СБИС Si с электрической интерфейсной шиной EMIFA для связи с управляющим процессором и периферийными устройствами. Для таких систем необходим управляющий процессор, который осуществляет обмен данными и сигналами управления с М ФЭ СБИС Si и выдаёт общесистемные команды при работе с внешними устройствами.
Конструкторские решения по созданию объёмных 3D-устройств включают в себя: использование 3D-технологии для изготовления и сборки гибридных интегральных многоканальных схем (ГИМС) и 3D матричных фотон-электрон-фотонных модулей (3D М ФЭ М) и построения объёмных 3D-устройств на их основе, таких как архитектурно-системные устройства высокопроизводительных информационно-вычислительных, коммутационных и радиолокационных систем и комплексов на основе 3D М ФЭФ М.
3D М ФЭФ М – это модуль, имеющий герметичный корпус с двумя матричными оптическими линзовыми растрами и внешним электрическим разъёмом, в котором по ГИМС-технологии установлены два электрически связанных кристалла (М ФЭ СБИС Si и М ЭФ СБИС VCSEL), которые устанавливаются на плате-носителе либо связываются непосредственно между собой по технологии Flip-Chip в металлокерамическом PGA-корпусе.
На рисунке 5 показана конструкция модуля 3D М ФЭФ М.
В 3D М ФЭФ М реализуются внутренние и внешние многоканальные связи. Две внешние фокальные плоскости 3D М ФЭФ М обеспечивают ортогональный ввод и/или вывод матричной, фотонной информации по многоканальным оптическим проводным и/или беспроводным каналам связи. Планарные электрические матричные каналы образуют связь между двумя интегральными полупроводниковыми кристаллами, а электрические регистровые каналы реализуют обмен данными и командами по параллельному интерфейсу EMIFA.
Кристаллы для 3D М ФЭФ М изготавливаются с применением технологий Si и AlGaAs.
Принцип реализации матричной оптической, матричной и регистровой электрических связей в 3D М ФЭФ М приведён на рисунке 6а.
В 3D М ФЭФ М внешняя многоканальная матричная оптическая связь направлена ортогонально к плоскостям кристаллов Si и AlGaAs, по оси Z.
Внутренние электрические – для связи двух кристаллов, а внешние электрические регистровые связи – по осям Х, У и Z относительно плоскостей полупроводниковых СБИС, установленных в 3D М ФЭФ М.
Такая организация многоканальных оптических и электрических связей в 3D М ФЭФ М переводит его в категорию полупроводниковых приборов с объёмной, трёхмерной 3D-архитектурой.
На рисунке 6б приведён принцип построения архитектуры устройства на базе 3D М ФЭФ М с многоканальной потоковой обработкой информации.
3D М ФЭФ М позволяет реализовать режим потоковой, вертикальной обработки информации, поступающей по многоканальным оптическим каналам, с обработкой информации «на проходе», без промежуточного её хранения.
Кремниево-фотонная и арсенид-галлий-алюминиевая технологии
Разработанные кремниево-фотонная и арсенид-галлий-алюминиевая технологии позволили реализовать перспективные технологии соединений, представленные на рисунке 4 в первой части статьи (см. журнал «Современная электроника» №3, 2017), и обеспечили выполнение требований новой парадигмы, реализующей особенности построения объёмных многоканальных фотон-электрон-фотонных модулей – 3D М ФЭФ М с многоканальными интеллектуальными портами.
Функциональный ряд 3D М ФЭФ М с управляющим электронным процессором на мезонинной плате позволяет создавать следующие высокопроизводительные изделия радиоэлектронного и оптоэлектронного приборостроения:
- распределённые высокопроизводительные информационно-вычислительные системы бортового и наземного базирования;
- многодатчиковые устройства ЦАР для радиолокации и связи;
- многоканальные высокоскоростные коммутационные устройства для оптических магистралей РЛС с фазированными антенными решётками с применением обмена информацией по стандарту Space Wire;
- многоканальные интеллектуальные адаптеры с платами для устройств промышленной электроники;
- многопроцессорные высокопроизводительные вычислительные модули и платформы;
- многоканальные оптические векторные и нейросетевые вычислители.
Кремниево-фотонная и арсенид-галлий-алюминиевая технологии, разработанные ООО «ОЭС», прошли этапы научных исследований, проектных, конструкторских и технологических решений, экспериментального макетирования и изготовления опытных образцов, измерения и приёмку.
В процессе разработки кремниево-фотонной технологии Si-кристаллов матриц интеллектуальных пикселей было проведено исследование оптимального выбора структуры с учётом формирования кремниевого диода, как элемента, и его сопряжение с базовой библиотекой электронных элементов, применяемых в типовой кремниевой Si-технологии завода-изготовителя.
Были исследованы три варианта кремниево-фотонной технологии формирования Si-фотодиода на пластине с учётом выбора стороны фотонной засветки фотодиода лазером VCSEL, технологии сборки 3D ГИМС и 3D М ФЭФ М.
- Технология кремний на сапфире (КНС) с фотонной засветкой лазером VCSEL фотодиода через сапфировую подложку (снизу) (см. рис. 7).
- Технология кремний на изоляторе (КНИ) с вытравленными в кремниевой подложке с противоположной стороны полупроводниковой структуры воздушными каналами и фотонной засветкой лазером VCSEL фотодиода через тонкую плёнку изолятора. На рисунке 8 представлены фото макетных образцов пластин КНИ с матричными воздушными каналами и кремниевыми кристаллами. На рисунке 9 – микрофотографии фотонных каналов в кремниевой пластине после сухого травления.
- Типовая кремниевая технология изготовления матричных полупроводниковых структур, на которых засветка фотодиодов осуществляется лазерами VCSEL в прямом контакте (см. рис. 10).
В результате проведённой работы по созданию ряда 3D М ФЭФ М было осуществлено следующее.
- Проектирование по кремниевой технологии Si кристаллов матриц интеллектуальных пикселей с аналоговыми, цифровыми схемами и интегральными фотонными приёмными ячейками для оптических каналов связи с использованием САПР. Разработана документация по технологическим нормам фабрики-изготовителя. Для отработки кремниевой технологии изготовления Si-кристаллов матриц интеллектуальных пикселей были изготовлены пластины с опытными образцами матричных кристаллов интеллектуальных пикселей с аналоговыми, цифровыми схемами и интегральными фотонными приёмными ячейками для оптических каналов связи и электрическими контактными площадками. После чего были получены рабочие образцы Si-пластин с кремниевыми матричными кристаллами с учётом требований кремниево-фотонной технологии, включая изготовление шариковых выводов для монтажа по технологии Flip-Chip, изготовления оптически прозрачных каналов с обратной стороны Si-пластины к фотодиодным площадкам функциональных пикселей, которые прошли разделение пластин на отдельные матричные кристаллы, проверку и паспортизацию.
- Проектирование по арсенид-галлий-алюминиевой AlGaAs-технологии кристаллов матриц вертикально излучающих лазеров VCSEL с использованием САПР, выпуск документации по технологическим нормам фабрики-изготовителя. В результате были изготовлены опытные образцы AlGaAs-пластин с кристаллами матриц VCSEL. После были получены рабочие образцы с матрицами VCSEL на основе AlGaAs с сформированными шариковыми выводами для монтажа по технологии Flip-Chip. Пластины AlGaAs VCSEL подвергались резке на отдельные матричные кристаллы, проверке и паспортизации.
Результаты проведённой работы позволили реализовать в 3D М ФЭФ М следующие виды обмена информацией:
- оптический приём – логическая обработка, коммутация – оптический выход;
- оптический приём – логическая обработка, коммутация – электрический выход;
- электрический приём – логическая обработка, коммутация – оптический выход;
- электрический приём – логическая обработка, коммутация – электрический выход.
Важным параметром работы 3D М ФЭФ М является то, что все виды обмена выполняются одновременно в многоканальном и параллельном режимах.
В следующей статье будет рассмотрен процесс проведения работ по формированию технологии матричной трёхмерной элементной базы, во время которого были разработаны и исследованы лазеры вертикального излучения и фотодиоды для генерации и приёма фотонных сигналов.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
