روش ادغام نوری الکترونیکی

اپتوالکترونیکروش ادغام

ادغام ازفوتونیکو الکترونیک گامی کلیدی در بهبود قابلیت‌های سیستم‌های پردازش اطلاعات، امکان انتقال سریع‌تر داده‌ها، مصرف انرژی کمتر و طراحی دستگاه‌های فشرده‌تر و گشودن فرصت‌های جدید عظیمی برای طراحی سیستم است. روش های یکپارچه سازی به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند: یکپارچه سازی یکپارچه و یکپارچه سازی چند تراشه.

ادغام یکپارچه
ادغام یکپارچه شامل ساخت قطعات فوتونیکی و الکترونیکی بر روی یک بستر، معمولاً با استفاده از مواد و فرآیندهای سازگار است. این رویکرد بر ایجاد یک رابط یکپارچه بین نور و الکتریسیته در یک تراشه متمرکز است.
مزایا:
1. کاهش تلفات اتصال متقابل: قرار دادن فوتون ها و قطعات الکترونیکی در مجاورت نزدیک تلفات سیگنال مرتبط با اتصالات خارج از تراشه را به حداقل می رساند.
2، بهبود عملکرد: ادغام دقیق تر می تواند به سرعت انتقال داده سریعتر به دلیل مسیرهای سیگنال کوتاهتر و کاهش تاخیر منجر شود.
3، اندازه کوچکتر: ادغام یکپارچه امکان استفاده از دستگاه های بسیار فشرده را فراهم می کند، که به ویژه برای برنامه های کاربردی با فضای محدود، مانند مراکز داده یا دستگاه های دستی مفید است.
4، کاهش مصرف برق: از بین بردن نیاز به بسته های جداگانه و اتصالات طولانی مدت، که می تواند به میزان قابل توجهی نیاز برق را کاهش دهد.
چالش:
1) سازگاری مواد: یافتن موادی که هم الکترون های با کیفیت بالا و هم توابع فوتونیک را پشتیبانی می کنند، می تواند چالش برانگیز باشد زیرا اغلب به خواص متفاوتی نیاز دارند.
2، سازگاری با فرآیند: ادغام فرآیندهای تولید متنوع الکترونیک و فوتون بر روی یک بستر بدون کاهش عملکرد هر یک از اجزاء یک کار پیچیده است.
4، ساخت پیچیده: دقت بالای مورد نیاز برای سازه های الکترونیکی و فوتونیک، پیچیدگی و هزینه ساخت را افزایش می دهد.

ادغام چند تراشه
این رویکرد به انعطاف پذیری بیشتری در انتخاب مواد و فرآیندها برای هر عملکرد اجازه می دهد. در این ادغام، اجزای الکترونیکی و فوتونیک از فرآیندهای مختلف می آیند و سپس با هم مونتاژ می شوند و روی یک بسته یا بستر مشترک قرار می گیرند (شکل 1). حال بیایید حالت های پیوند بین تراشه های نوری را فهرست کنیم. پیوند مستقیم: این تکنیک شامل تماس فیزیکی مستقیم و پیوند دو سطح مسطح است که معمولاً توسط نیروهای پیوند مولکولی، گرما و فشار تسهیل می شود. این مزیت سادگی و اتصالات با تلفات بالقوه بسیار کم را دارد، اما به سطوح دقیق تراز و تمیز نیاز دارد. اتصال فیبر/گریتینگ: در این طرح، آرایه فیبر یا فیبر به لبه یا سطح تراشه فوتونیک هم‌تراز و متصل می‌شود و اجازه می‌دهد نور به داخل و خارج تراشه جفت شود. گریتینگ همچنین می تواند برای اتصال عمودی استفاده شود و کارایی انتقال نور بین تراشه فوتونیک و فیبر خارجی را بهبود بخشد. سوراخ‌های سیلیکونی (TSV) و ریزبرآمدگی‌ها: سوراخ‌های سیلیکونی از طریق یک بستر سیلیکونی به هم متصل می‌شوند و به تراشه‌ها اجازه می‌دهند تا در سه بعدی روی هم چیده شوند. همراه با نقاط ریز محدب، آنها به دستیابی به اتصالات الکتریکی بین تراشه های الکترونیکی و فوتونیک در پیکربندی های انباشته، مناسب برای ادغام با چگالی بالا کمک می کنند. لایه میانی نوری: لایه واسطه نوری یک بستر مجزا حاوی موجبرهای نوری است که به عنوان واسطه ای برای مسیریابی سیگنال های نوری بین تراشه ها عمل می کند. این امکان تراز دقیق و غیرفعال اضافی را فراهم می کنداجزای نوریمی تواند برای افزایش انعطاف پذیری اتصال یکپارچه شود. پیوند هیبریدی: این فناوری پیوند پیشرفته ترکیبی از فناوری اتصال مستقیم و میکرو برآمدگی برای دستیابی به اتصالات الکتریکی با چگالی بالا بین تراشه‌ها و رابط‌های نوری با کیفیت بالا است. به ویژه برای ادغام همزمان نوری با کارایی بالا امیدوارکننده است. اتصال برجستگی لحیم کاری: مشابه باندینگ فلیپ چیپ، از برجستگی های لحیم کاری برای ایجاد اتصالات الکتریکی استفاده می شود. با این حال، در زمینه ادغام نوری، باید توجه ویژه ای به جلوگیری از آسیب به اجزای فوتونیک ناشی از تنش حرارتی و حفظ تراز نوری شود.

شکل 1: طرح پیوند الکترون/فوتون تراشه به تراشه

مزایای این رویکردها قابل توجه است: از آنجایی که دنیای CMOS به دنبال پیشرفت‌های قانون مور است، امکان تطبیق سریع هر نسل از CMOS یا Bi-CMOS بر روی یک تراشه فوتونیک سیلیکونی ارزان وجود خواهد داشت و از مزایای بهترین فرآیندها در این زمینه استفاده می‌شود. فوتونیک و الکترونیک از آنجایی که فوتونیک به طور کلی نیازی به ساخت ساختارهای بسیار کوچک ندارد (اندازه های کلیدی حدود 100 نانومتر معمولی است) و دستگاه ها در مقایسه با ترانزیستورها بزرگ هستند، ملاحظات اقتصادی باعث می شود که دستگاه های فوتونیک در یک فرآیند جداگانه ساخته شوند، جدا از هر نوع پیشرفته. لوازم الکترونیکی مورد نیاز برای محصول نهایی
مزایا:
1، انعطاف پذیری: برای دستیابی به بهترین عملکرد اجزای الکترونیکی و فوتونیک می توان از مواد و فرآیندهای مختلف به طور مستقل استفاده کرد.
2، بلوغ فرآیند: استفاده از فرآیندهای تولید بالغ برای هر جزء می تواند تولید را ساده کرده و هزینه ها را کاهش دهد.
3، ارتقاء و نگهداری آسانتر: جداسازی اجزاء اجازه می دهد تا اجزای جداگانه جایگزین یا ارتقاء داده شوند، بدون اینکه کل سیستم تحت تأثیر قرار گیرد.
چالش:
1، از دست دادن اتصال: اتصال خارج از تراشه باعث از دست دادن سیگنال اضافی می شود و ممکن است به روش های تراز پیچیده نیاز داشته باشد.
2، افزایش پیچیدگی و اندازه: اجزای جداگانه نیاز به بسته بندی و اتصالات اضافی دارند که در نتیجه اندازه های بزرگتر و هزینه های بالقوه بالاتری را به همراه دارد.
3، مصرف انرژی بیشتر: مسیرهای سیگنال طولانی تر و بسته بندی اضافی ممکن است نیازهای برق را در مقایسه با یکپارچه سازی یکپارچه افزایش دهد.
نتیجه گیری:
انتخاب بین ادغام یکپارچه و چند تراشه به الزامات خاص برنامه، از جمله اهداف عملکرد، محدودیت‌های اندازه، ملاحظات هزینه و بلوغ فناوری بستگی دارد. علیرغم پیچیدگی تولید، ادغام یکپارچه برای کاربردهایی که نیاز به کوچک سازی شدید، مصرف انرژی کم و انتقال داده با سرعت بالا دارند، سودمند است. در عوض، یکپارچه‌سازی چند تراشه انعطاف‌پذیری طراحی بیشتری را ارائه می‌کند و از قابلیت‌های تولید موجود استفاده می‌کند، و آن را برای برنامه‌هایی مناسب می‌کند که این عوامل بر مزایای یکپارچگی دقیق‌تر بیشتر است. 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.