अप्टोइलेक्ट्रोनिक एकीकरण विधि

अप्टोइलेक्ट्रोनिकएकीकरण विधि

को एकीकरणफोटोनिक्सर इलेक्ट्रोनिक्स सूचना प्रशोधन प्रणालीहरूको क्षमता सुधार गर्न, छिटो डेटा स्थानान्तरण दरहरू, कम पावर खपत र थप कम्प्याक्ट उपकरण डिजाइनहरू सक्षम पार्ने, र प्रणाली डिजाइनको लागि विशाल नयाँ अवसरहरू खोल्ने एउटा महत्त्वपूर्ण कदम हो। एकीकरण विधिहरू सामान्यतया दुई वर्गमा विभाजित हुन्छन्: मोनोलिथिक एकीकरण र बहु-चिप एकीकरण।

मोनोलिथिक एकीकरण
मोनोलिथिक एकीकरणमा एउटै सब्सट्रेटमा फोटोनिक र इलेक्ट्रोनिक कम्पोनेन्टहरू निर्माण गर्ने समावेश छ, सामान्यतया उपयुक्त सामग्री र प्रक्रियाहरू प्रयोग गरेर। यो दृष्टिकोण एकल चिप भित्र प्रकाश र बिजुली बीच एक निर्बाध इन्टरफेस सिर्जना गर्नमा केन्द्रित छ।
फाइदा:
१. अन्तरसम्बन्ध क्षति कम गर्नुहोस्: फोटन र इलेक्ट्रोनिक कम्पोनेन्टहरू नजिकै राख्नाले अफ-चिप जडानहरूसँग सम्बन्धित सिग्नल क्षति कम हुन्छ।
२, सुधारिएको कार्यसम्पादन: छोटो सिग्नल मार्ग र कम विलम्बताको कारणले गर्दा कडा एकीकरणले छिटो डेटा स्थानान्तरण गति निम्त्याउन सक्छ।
३, सानो आकार: मोनोलिथिक एकीकरणले अत्यधिक कम्प्याक्ट उपकरणहरूको लागि अनुमति दिन्छ, जुन विशेष गरी डेटा केन्द्रहरू वा ह्यान्डहेल्ड उपकरणहरू जस्ता ठाउँ-सीमित अनुप्रयोगहरूको लागि लाभदायक छ।
४, बिजुली खपत घटाउनुहोस्: छुट्टै प्याकेजहरू र लामो दूरीको इन्टरकनेक्टहरूको आवश्यकतालाई हटाउनुहोस्, जसले बिजुली आवश्यकताहरूलाई उल्लेखनीय रूपमा कम गर्न सक्छ।
चुनौती:
१) सामग्री अनुकूलता: उच्च-गुणस्तरको इलेक्ट्रोन र फोटोनिक प्रकार्य दुवैलाई समर्थन गर्ने सामग्रीहरू फेला पार्नु चुनौतीपूर्ण हुन सक्छ किनभने तिनीहरूलाई प्रायः फरक गुणहरू चाहिन्छ।
२, प्रक्रिया अनुकूलता: कुनै पनि एक घटकको कार्यसम्पादनमा गिरावट नल्याएर एउटै सब्सट्रेटमा इलेक्ट्रोनिक्स र फोटोनको विविध उत्पादन प्रक्रियाहरूलाई एकीकृत गर्नु एक जटिल कार्य हो।
४, जटिल निर्माण: इलेक्ट्रोनिक र फोटोनोनिक संरचनाहरूको लागि आवश्यक उच्च परिशुद्धताले निर्माणको जटिलता र लागत बढाउँछ।

बहु-चिप एकीकरण
यो दृष्टिकोणले प्रत्येक प्रकार्यको लागि सामग्री र प्रक्रियाहरू चयन गर्न ठूलो लचिलोपनको लागि अनुमति दिन्छ। यस एकीकरणमा, इलेक्ट्रोनिक र फोटोनिक कम्पोनेन्टहरू फरक प्रक्रियाहरूबाट आउँछन् र त्यसपछि एकसाथ भेला हुन्छन् र साझा प्याकेज वा सब्सट्रेटमा राखिन्छन् (चित्र १)। अब अप्टोइलेक्ट्रोनिक चिप्स बीचको बन्धन मोडहरू सूचीबद्ध गरौं। प्रत्यक्ष बन्धन: यस प्रविधिमा दुई समतल सतहहरूको प्रत्यक्ष भौतिक सम्पर्क र बन्धन समावेश छ, जुन सामान्यतया आणविक बन्धन बल, ताप र दबाबद्वारा सहज हुन्छ। यसमा सरलता र सम्भावित रूपमा धेरै कम हानि जडानहरूको फाइदा छ, तर सटीक रूपमा पङ्क्तिबद्ध र सफा सतहहरू आवश्यक पर्दछ। फाइबर/ग्रेटिंग युग्मन: यस योजनामा, फाइबर वा फाइबर एरेलाई फोटोनिक चिपको किनारा वा सतहमा पङ्क्तिबद्ध र बन्धन गरिएको छ, जसले प्रकाशलाई चिप भित्र र बाहिर जोड्न अनुमति दिन्छ। ग्रेटिंगलाई ठाडो युग्मनको लागि पनि प्रयोग गर्न सकिन्छ, जसले फोटोनिक चिप र बाह्य फाइबर बीच प्रकाशको प्रसारणको दक्षतामा सुधार गर्दछ। थ्रु-सिलिकन प्वालहरू (TSVs) र माइक्रो-बम्पहरू: थ्रु-सिलिकन प्वालहरू सिलिकन सब्सट्रेट मार्फत ठाडो अन्तरसम्बन्धहरू हुन्, जसले चिपहरूलाई तीन आयामहरूमा स्ट्याक गर्न अनुमति दिन्छ। माइक्रो-कन्भेक्स पोइन्टहरूसँग मिलाएर, तिनीहरूले उच्च-घनत्व एकीकरणको लागि उपयुक्त, स्ट्याक्ड कन्फिगरेसनहरूमा इलेक्ट्रोनिक र फोटोनिक चिपहरू बीच विद्युतीय जडानहरू प्राप्त गर्न मद्दत गर्छन्। अप्टिकल मध्यस्थ तह: अप्टिकल मध्यस्थ तह एक छुट्टै सब्सट्रेट हो जसमा अप्टिकल वेभगाइडहरू हुन्छन् जसले चिपहरू बीच अप्टिकल संकेतहरू राउट गर्न मध्यस्थकर्ताको रूपमा काम गर्दछ। यसले सटीक पङ्क्तिबद्धता, र अतिरिक्त निष्क्रियको लागि अनुमति दिन्छ।अप्टिकल कम्पोनेन्टहरूजडान लचिलोपन बढाउनको लागि एकीकृत गर्न सकिन्छ। हाइब्रिड बन्डिङ: यो उन्नत बन्डिङ प्रविधिले चिप्स र उच्च-गुणस्तरको अप्टिकल इन्टरफेसहरू बीच उच्च-घनत्व विद्युतीय जडानहरू प्राप्त गर्न प्रत्यक्ष बन्डिङ र माइक्रो-बम्प प्रविधिलाई संयोजन गर्दछ। यो उच्च-प्रदर्शन अप्टोइलेक्ट्रोनिक सह-एकीकरणको लागि विशेष गरी आशाजनक छ। सोल्डर बम्प बन्डिङ: फ्लिप चिप बन्डिङ जस्तै, सोल्डर बम्पहरू विद्युतीय जडानहरू सिर्जना गर्न प्रयोग गरिन्छ। यद्यपि, अप्टोइलेक्ट्रोनिक एकीकरणको सन्दर्भमा, थर्मल तनावको कारणले हुने फोटोनिक घटकहरूमा हुने क्षतिबाट बच्न र अप्टिकल पङ्क्तिबद्धता कायम राख्न विशेष ध्यान दिनुपर्छ।

चित्र १: : इलेक्ट्रोन/फोटोन चिप-टु-चिप बन्धन योजना

यी दृष्टिकोणहरूका फाइदाहरू महत्त्वपूर्ण छन्: CMOS संसारले मूरको नियममा भएका सुधारहरूलाई पछ्याउन जारी राख्दै, फोटोनिक्स र इलेक्ट्रोनिक्समा उत्कृष्ट प्रक्रियाहरूको फाइदा उठाउँदै, CMOS वा Bi-CMOS को प्रत्येक पुस्तालाई सस्तो सिलिकन फोटोनिक चिपमा द्रुत रूपमा अनुकूलन गर्न सम्भव हुनेछ। फोटोनिक्सलाई सामान्यतया धेरै सानो संरचनाहरूको निर्माण आवश्यक पर्दैन (लगभग १०० न्यानोमिटरको कुञ्जी आकारहरू सामान्य हुन्छन्) र ट्रान्जिस्टरहरूको तुलनामा उपकरणहरू ठूला हुन्छन्, आर्थिक विचारहरूले फोटोनिक उपकरणहरूलाई अन्तिम उत्पादनको लागि आवश्यक पर्ने कुनै पनि उन्नत इलेक्ट्रोनिक्सबाट अलग, छुट्टै प्रक्रियामा निर्माण गर्न धकेल्नेछ।
फाइदा:
१, लचिलोपन: इलेक्ट्रोनिक र फोटोनिक कम्पोनेन्टहरूको उत्कृष्ट प्रदर्शन प्राप्त गर्न विभिन्न सामग्री र प्रक्रियाहरू स्वतन्त्र रूपमा प्रयोग गर्न सकिन्छ।
२, प्रक्रिया परिपक्वता: प्रत्येक घटकको लागि परिपक्व उत्पादन प्रक्रियाहरूको प्रयोगले उत्पादनलाई सरल बनाउन र लागत घटाउन सक्छ।
३, सजिलो स्तरोन्नति र मर्मतसम्भार: कम्पोनेन्टहरूको विभाजनले सम्पूर्ण प्रणालीलाई असर नगरी व्यक्तिगत कम्पोनेन्टहरूलाई सजिलैसँग प्रतिस्थापन वा स्तरोन्नति गर्न अनुमति दिन्छ।
चुनौती:
१, अन्तरसम्बन्ध क्षति: अफ-चिप जडानले अतिरिक्त सिग्नल क्षति ल्याउँछ र जटिल पङ्क्तिबद्धता प्रक्रियाहरू आवश्यक पर्न सक्छ।
२, बढ्दो जटिलता र आकार: व्यक्तिगत कम्पोनेन्टहरूलाई थप प्याकेजिङ र अन्तरसम्बन्धहरू आवश्यक पर्दछ, जसले गर्दा आकार ठूलो हुन्छ र सम्भावित रूपमा लागत बढी हुन्छ।
३, उच्च बिजुली खपत: लामो सिग्नल मार्गहरू र अतिरिक्त प्याकेजिङले मोनोलिथिक एकीकरणको तुलनामा पावर आवश्यकताहरू बढाउन सक्छ।
निष्कर्ष:
मोनोलिथिक र बहु-चिप एकीकरण बीच छनौट गर्नु अनुप्रयोग-विशिष्ट आवश्यकताहरूमा निर्भर गर्दछ, जसमा कार्यसम्पादन लक्ष्यहरू, आकार अवरोधहरू, लागत विचारहरू, र प्रविधि परिपक्वता समावेश छन्। निर्माण जटिलताको बावजुद, अत्यधिक लघुकरण, कम पावर खपत, र उच्च-गति डेटा प्रसारण आवश्यक पर्ने अनुप्रयोगहरूको लागि मोनोलिथिक एकीकरण लाभदायक छ। यसको सट्टा, बहु-चिप एकीकरणले ठूलो डिजाइन लचिलोपन प्रदान गर्दछ र अवस्थित उत्पादन क्षमताहरूको उपयोग गर्दछ, यसलाई ती अनुप्रयोगहरूको लागि उपयुक्त बनाउँछ जहाँ यी कारकहरू कडा एकीकरणको फाइदाहरू भन्दा बढी छन्। अनुसन्धान अगाडि बढ्दै जाँदा, प्रत्येक दृष्टिकोणसँग सम्बन्धित चुनौतीहरूलाई कम गर्दै प्रणाली प्रदर्शनलाई अनुकूलन गर्न दुवै रणनीतिका तत्वहरूलाई संयोजन गर्ने हाइब्रिड दृष्टिकोणहरू पनि अन्वेषण गरिँदैछ।