روش ادغام اپتوالکترونیکی

اپتوالکترونیکروش ادغام

ادغامفوتونیکو الکترونیک گامی کلیدی در بهبود قابلیت‌های سیستم‌های پردازش اطلاعات است که امکان انتقال سریع‌تر داده‌ها، مصرف انرژی کمتر و طراحی دستگاه‌های فشرده‌تر را فراهم می‌کند و فرصت‌های جدید بزرگی را برای طراحی سیستم ایجاد می‌کند. روش‌های یکپارچه‌سازی عموماً به دو دسته تقسیم می‌شوند: یکپارچه‌سازی یکپارچه و یکپارچه‌سازی چندتراشه.

ادغام یکپارچه
یکپارچه‌سازی یکپارچه شامل تولید قطعات فوتونیکی و الکترونیکی روی یک زیرلایه، معمولاً با استفاده از مواد و فرآیندهای سازگار است. این رویکرد بر ایجاد یک رابط یکپارچه بین نور و الکتریسیته در یک تراشه واحد تمرکز دارد.
مزایا:
۱. کاهش تلفات اتصال: قرار دادن فوتون‌ها و قطعات الکترونیکی در مجاورت نزدیک، تلفات سیگنال مرتبط با اتصالات خارج از تراشه را به حداقل می‌رساند.
۲، عملکرد بهبود یافته: ادغام دقیق‌تر می‌تواند به دلیل مسیرهای سیگنال کوتاه‌تر و کاهش تأخیر، منجر به سرعت انتقال داده سریع‌تر شود.
۳، اندازه کوچکتر: ادغام یکپارچه امکان ساخت دستگاه‌های بسیار جمع و جور را فراهم می‌کند، که به ویژه برای کاربردهای با فضای محدود، مانند مراکز داده یا دستگاه‌های دستی، مفید است.
۴، کاهش مصرف برق: نیاز به بسته‌های جداگانه و اتصالات از راه دور را از بین می‌برد، که می‌تواند به طور قابل توجهی نیازهای برق را کاهش دهد.
چالش:
۱) سازگاری مواد: یافتن موادی که هم از الکترون‌های با کیفیت بالا و هم از عملکردهای فوتونی پشتیبانی کنند، می‌تواند چالش برانگیز باشد زیرا اغلب به خواص متفاوتی نیاز دارند.
۲، سازگاری فرآیند: ادغام فرآیندهای تولید متنوع الکترونیک و فوتون‌ها روی یک زیرلایه بدون کاهش عملکرد هیچ یک از اجزا، کار پیچیده‌ای است.
۴، تولید پیچیده: دقت بالای مورد نیاز برای ساختارهای الکترونیکی و فوتونیکی، پیچیدگی و هزینه تولید را افزایش می‌دهد.

ادغام چند تراشه
این رویکرد امکان انعطاف‌پذیری بیشتری را در انتخاب مواد و فرآیندها برای هر عملکرد فراهم می‌کند. در این ادغام، اجزای الکترونیکی و فوتونیکی از فرآیندهای مختلفی می‌آیند و سپس با هم مونتاژ شده و روی یک بسته یا زیرلایه مشترک قرار می‌گیرند (شکل 1). حال بیایید حالت‌های اتصال بین تراشه‌های اپتوالکترونیکی را فهرست کنیم. اتصال مستقیم: این تکنیک شامل تماس فیزیکی مستقیم و اتصال دو سطح مسطح است که معمولاً توسط نیروهای اتصال مولکولی، گرما و فشار تسهیل می‌شود. این روش از مزیت سادگی و اتصالات با تلفات بالقوه بسیار کم برخوردار است، اما به سطوح دقیقاً تراز شده و تمیز نیاز دارد. کوپلینگ فیبر/توری: در این طرح، فیبر یا آرایه فیبر تراز شده و به لبه یا سطح تراشه فوتونیکی متصل می‌شود و امکان اتصال نور به داخل و خارج از تراشه را فراهم می‌کند. توری همچنین می‌تواند برای اتصال عمودی استفاده شود و راندمان انتقال نور بین تراشه فوتونیکی و فیبر خارجی را بهبود بخشد. سوراخ‌های سیلیکونی (TSV) و میکروبرجستگی‌ها: سوراخ‌های سیلیکونی از طریق یک زیرلایه سیلیکونی به هم متصل می‌شوند و امکان روی هم قرار گرفتن تراشه‌ها را در سه بعد فراهم می‌کنند. در ترکیب با نقاط میکرومحدب، آنها به دستیابی به اتصالات الکتریکی بین تراشه‌های الکترونیکی و فوتونی در پیکربندی‌های انباشته، مناسب برای ادغام با چگالی بالا، کمک می‌کنند. لایه واسطه نوری: لایه واسطه نوری یک بستر جداگانه حاوی موجبرهای نوری است که به عنوان واسطه‌ای برای مسیریابی سیگنال‌های نوری بین تراشه‌ها عمل می‌کند. این لایه امکان ترازبندی دقیق و غیرفعال‌سازی اضافی را فراهم می‌کند.اجزای نوریمی‌تواند برای افزایش انعطاف‌پذیری اتصال ادغام شود. پیوند هیبریدی: این فناوری پیشرفته پیوند، فناوری پیوند مستقیم و میکرو-برآمدگی را برای دستیابی به اتصالات الکتریکی با چگالی بالا بین تراشه‌ها و رابط‌های نوری با کیفیت بالا ترکیب می‌کند. این فناوری به ویژه برای ادغام همزمان اپتوالکترونیکی با عملکرد بالا امیدوارکننده است. پیوند لحیم-برآمدگی: مشابه پیوند فلیپ چیپ، از لحیم-برآمدگی‌ها برای ایجاد اتصالات الکتریکی استفاده می‌شود. با این حال، در زمینه ادغام اپتوالکترونیکی، باید به جلوگیری از آسیب به اجزای فوتونی ناشی از تنش حرارتی و حفظ هم‌ترازی نوری توجه ویژه‌ای شود.

شکل ۱: طرح پیوند الکترون/فوتون از طریق تراشه به تراشه

مزایای این رویکردها قابل توجه است: همچنان که دنیای CMOS همچنان از پیشرفت‌های قانون مور پیروی می‌کند، می‌توان به سرعت هر نسل از CMOS یا Bi-CMOS را بر روی یک تراشه فوتونیک سیلیکونی ارزان تطبیق داد و از مزایای بهترین فرآیندها در فوتونیک و الکترونیک بهره‌مند شد. از آنجا که فوتونیک عموماً نیازی به ساخت ساختارهای بسیار کوچک ندارد (اندازه کلیدهای حدود ۱۰۰ نانومتر معمول است) و دستگاه‌ها در مقایسه با ترانزیستورها بزرگ هستند، ملاحظات اقتصادی تمایل دارند دستگاه‌های فوتونیک را در یک فرآیند جداگانه، جدا از هرگونه الکترونیک پیشرفته مورد نیاز برای محصول نهایی، تولید کنند.
مزایا:
۱، انعطاف‌پذیری: مواد و فرآیندهای مختلف می‌توانند به طور مستقل برای دستیابی به بهترین عملکرد قطعات الکترونیکی و فوتونیکی مورد استفاده قرار گیرند.
۲، بلوغ فرآیند: استفاده از فرآیندهای تولید بالغ برای هر جزء می‌تواند تولید را ساده کرده و هزینه‌ها را کاهش دهد.
۳، ارتقاء و نگهداری آسان‌تر: جداسازی اجزا اجازه می‌دهد تا اجزای جداگانه بدون تأثیر بر کل سیستم، راحت‌تر تعویض یا ارتقاء یابند.
چالش:
۱، افت اتصال: اتصال خارج از تراشه باعث افت سیگنال اضافی می‌شود و ممکن است به رویه‌های پیچیده ترازبندی نیاز داشته باشد.
۲، افزایش پیچیدگی و اندازه: اجزای جداگانه نیاز به بسته‌بندی و اتصالات اضافی دارند که منجر به اندازه‌های بزرگتر و هزینه‌های بالقوه بالاتر می‌شود.
۳، مصرف برق بالاتر: مسیرهای سیگنال طولانی‌تر و بسته‌بندی اضافی ممکن است در مقایسه با یکپارچه‌سازی یکپارچه، نیاز به برق را افزایش دهند.
نتیجه‌گیری:
انتخاب بین یکپارچه‌سازی یکپارچه و چند تراشه‌ای به الزامات خاص هر کاربرد، از جمله اهداف عملکرد، محدودیت‌های اندازه، ملاحظات هزینه و بلوغ فناوری بستگی دارد. با وجود پیچیدگی تولید، یکپارچه‌سازی یکپارچه برای کاربردهایی که نیاز به کوچک‌سازی شدید، مصرف برق کم و انتقال داده با سرعت بالا دارند، سودمند است. در عوض، یکپارچه‌سازی چند تراشه‌ای انعطاف‌پذیری طراحی بیشتری را ارائه می‌دهد و از قابلیت‌های تولید موجود استفاده می‌کند و آن را برای کاربردهایی مناسب می‌کند که در آن‌ها این عوامل بر مزایای یکپارچه‌سازی دقیق‌تر غلبه می‌کنند. با پیشرفت تحقیقات، رویکردهای ترکیبی که عناصر هر دو استراتژی را ترکیب می‌کنند نیز برای بهینه‌سازی عملکرد سیستم و در عین حال کاهش چالش‌های مرتبط با هر رویکرد، مورد بررسی قرار می‌گیرند.