วิธีการบูรณาการออปโตอิเล็กทรอนิกส์

ออปโตอิเล็กทรอนิกส์วิธีการบูรณาการ

การบูรณาการของโฟโตนิกส์อิเล็กทรอนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์เป็นก้าวสำคัญในการพัฒนาขีดความสามารถของระบบประมวลผลข้อมูล ช่วยให้อัตราการถ่ายโอนข้อมูลเร็วขึ้น ใช้พลังงานน้อยลง และการออกแบบอุปกรณ์ที่กะทัดรัดยิ่งขึ้น และเปิดโอกาสใหม่ๆ มากมายสำหรับการออกแบบระบบ โดยทั่วไปวิธีการผสานรวมแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ การผสานรวมแบบโมโนลิธิก และการผสานรวมแบบหลายชิป

การบูรณาการแบบโมโนลิธิก
การผสานรวมแบบโมโนลิธิกเกี่ยวข้องกับการผลิตชิ้นส่วนโฟโตนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์บนวัสดุรองรับเดียวกัน ซึ่งโดยปกติจะใช้วัสดุและกระบวนการที่เข้ากันได้ แนวทางนี้มุ่งเน้นการสร้างอินเทอร์เฟซที่ไร้รอยต่อระหว่างแสงและไฟฟ้าภายในชิปตัวเดียว
ข้อดี:
1. ลดการสูญเสียการเชื่อมต่อ: การวางโฟตอนและส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ในบริเวณใกล้เคียงจะช่วยลดการสูญเสียสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อนอกชิป
2. ประสิทธิภาพการทำงานที่ได้รับการปรับปรุง: การบูรณาการที่แน่นหนายิ่งขึ้นสามารถส่งผลให้ความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลเร็วขึ้นเนื่องจากเส้นทางสัญญาณสั้นลงและเวลาแฝงที่ลดลง
3. ขนาดที่เล็กกว่า: การบูรณาการแบบโมโนลิธิกช่วยให้สามารถใช้อุปกรณ์ที่มีขนาดกะทัดรัดได้ ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชันที่มีพื้นที่จำกัด เช่น ศูนย์ข้อมูลหรืออุปกรณ์พกพา
4. ลดการใช้พลังงาน: ขจัดความจำเป็นในการใช้แพ็คเกจแยกต่างหากและการเชื่อมต่อระยะไกล ซึ่งสามารถลดความต้องการพลังงานได้อย่างมาก
ท้าทาย:
1) ความเข้ากันได้ของวัสดุ: การค้นหาวัสดุที่รองรับทั้งอิเล็กตรอนคุณภาพสูงและฟังก์ชันโฟตอนิกส์อาจเป็นเรื่องท้าทายเนื่องจากมักต้องใช้คุณสมบัติที่แตกต่างกัน
2. ความเข้ากันได้ของกระบวนการ: การบูรณาการกระบวนการผลิตที่หลากหลายของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และโฟตอนบนพื้นผิวเดียวกันโดยไม่ลดประสิทธิภาพของส่วนประกอบใดส่วนประกอบหนึ่งเป็นงานที่ซับซ้อน
4. การผลิตที่ซับซ้อน: ความแม่นยำสูงที่จำเป็นสำหรับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตโนนิกส์เพิ่มความซับซ้อนและต้นทุนการผลิต

การรวมหลายชิป
วิธีการนี้ช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในการเลือกวัสดุและกระบวนการสำหรับแต่ละฟังก์ชัน ในการผสานรวมนี้ ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และโฟตอนิกส์มาจากกระบวนการที่แตกต่างกัน จากนั้นจึงนำมาประกอบเข้าด้วยกันและวางบนบรรจุภัณฑ์หรือวัสดุรองรับร่วมกัน (รูปที่ 1) ต่อไป เราจะแสดงรายการโหมดการเชื่อมต่อระหว่างชิปออปโตอิเล็กทรอนิกส์ การเชื่อมต่อโดยตรง: เทคนิคนี้เกี่ยวข้องกับการสัมผัสทางกายภาพโดยตรงและการเชื่อมต่อของพื้นผิวระนาบสองแผ่น ซึ่งโดยปกติจะอำนวยความสะดวกโดยแรงยึดเหนี่ยวของโมเลกุล ความร้อน และแรงดัน มีข้อได้เปรียบคือความเรียบง่ายและการเชื่อมต่อที่อาจสูญเสียน้อยมาก แต่ต้องใช้พื้นผิวที่จัดเรียงอย่างแม่นยำและสะอาด การเชื่อมต่อไฟเบอร์/เกรตติง: ในรูปแบบนี้ ไฟเบอร์หรืออาร์เรย์ไฟเบอร์จะถูกจัดเรียงและเชื่อมต่อกับขอบหรือพื้นผิวของชิปโฟตอนิกส์ ทำให้สามารถเชื่อมต่อแสงเข้าและออกจากชิปได้ เกรตติงยังสามารถใช้สำหรับการเชื่อมต่อแนวตั้ง ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการส่งผ่านแสงระหว่างชิปโฟตอนิกส์และเส้นใยภายนอก รูทะลุซิลิคอน (TSVs) และไมโครบัมพ์: รูทะลุซิลิคอนเป็นการเชื่อมต่อแนวตั้งผ่านวัสดุรองรับซิลิคอน ทำให้สามารถวางชิปซ้อนกันเป็นสามมิติได้ เมื่อใช้ร่วมกับจุดไมโครนูน จะช่วยให้สามารถเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างชิปอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกส์ในรูปแบบซ้อนกัน ซึ่งเหมาะสำหรับการรวมความหนาแน่นสูง ชั้นกลางแสง: ชั้นกลางแสงเป็นวัสดุรองรับแยกต่างหากซึ่งประกอบด้วยท่อนำคลื่นแสง ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวกลางสำหรับการกำหนดเส้นทางสัญญาณแสงระหว่างชิป ช่วยให้สามารถจัดตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ และมีคุณสมบัติแบบพาสซีฟเพิ่มเติมส่วนประกอบออปติคัลสามารถผสานรวมเพื่อเพิ่มความยืดหยุ่นในการเชื่อมต่อได้ การเชื่อมต่อแบบไฮบริด: เทคโนโลยีการเชื่อมต่อขั้นสูงนี้ผสานการเชื่อมต่อโดยตรงและเทคโนโลยีไมโครบัมพ์ เพื่อให้ได้การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าความหนาแน่นสูงระหว่างชิปและอินเทอร์เฟซออปติคัลคุณภาพสูง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผสานรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูง การเชื่อมต่อแบบบัดกรีบัมพ์: เช่นเดียวกับการเชื่อมต่อแบบฟลิปชิป การเชื่อมประสานแบบบัดกรีบัมพ์ใช้เพื่อสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ในบริบทของการเชื่อมต่อออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ต้องให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับการหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อส่วนประกอบโฟโตนิกส์ที่เกิดจากความเครียดจากความร้อน และการรักษาการจัดแนวแสง

รูปที่ 1: รูปแบบการเชื่อมต่อชิปอิเล็กตรอน/โฟตอน

ประโยชน์ของวิธีการเหล่านี้มีนัยสำคัญ: ในขณะที่โลกของ CMOS ยังคงพัฒนาตามกฎของมัวร์อย่างต่อเนื่อง จะสามารถดัดแปลง CMOS หรือ Bi-CMOS แต่ละรุ่นลงบนชิปโฟโตนิกซิลิคอนราคาถูกได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งจะได้รับประโยชน์จากกระบวนการที่ดีที่สุดในด้านโฟโตนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วโฟโตนิกส์ไม่จำเป็นต้องสร้างโครงสร้างขนาดเล็กมาก (โดยทั่วไปมีขนาดประมาณ 100 นาโนเมตร) และอุปกรณ์มีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์ ปัจจัยทางเศรษฐกิจจึงมีแนวโน้มที่จะผลักดันให้อุปกรณ์โฟโตนิกส์ต้องผลิตในกระบวนการที่แยกต่างหาก แยกจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูงใดๆ ที่จำเป็นสำหรับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย
ข้อดี:
1. ความยืดหยุ่น: สามารถใช้วัสดุและกระบวนการต่างๆ ได้อย่างอิสระเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกส์
2. ความสมบูรณ์ของกระบวนการ: การใช้กระบวนการผลิตที่สมบูรณ์สำหรับแต่ละส่วนประกอบสามารถทำให้การผลิตง่ายขึ้นและลดต้นทุนได้
3. การอัพเกรดและการบำรุงรักษาที่ง่ายกว่า: การแยกส่วนประกอบช่วยให้สามารถเปลี่ยนหรืออัพเกรดส่วนประกอบแต่ละชิ้นได้ง่ายขึ้นโดยไม่ส่งผลกระทบต่อระบบทั้งหมด
ท้าทาย:
1. การสูญเสียการเชื่อมต่อ: การเชื่อมต่อนอกชิปทำให้เกิดการสูญเสียสัญญาณเพิ่มเติมและอาจต้องใช้ขั้นตอนการจัดตำแหน่งที่ซับซ้อน
2. ความซับซ้อนและขนาดที่เพิ่มขึ้น: ส่วนประกอบแต่ละชิ้นต้องมีบรรจุภัณฑ์และการเชื่อมต่อเพิ่มเติม ส่งผลให้มีขนาดใหญ่ขึ้นและอาจมีต้นทุนที่สูงขึ้น
3. การใช้พลังงานที่สูงขึ้น: เส้นทางสัญญาณที่ยาวขึ้นและบรรจุภัณฑ์เพิ่มเติมอาจเพิ่มความต้องการพลังงานเมื่อเทียบกับการรวมแบบโมโนลิธิก
บทสรุป:
การเลือกใช้การรวมระบบแบบโมโนลิธิกและแบบมัลติชิปนั้นขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของแอปพลิเคชัน ซึ่งรวมถึงเป้าหมายด้านประสิทธิภาพ ข้อจำกัดด้านขนาด การพิจารณาต้นทุน และความพร้อมของเทคโนโลยี แม้จะมีความซับซ้อนในการผลิต แต่การรวมระบบแบบโมโนลิธิกก็มีประโยชน์สำหรับการใช้งานที่ต้องการการย่อส่วนอย่างมาก การใช้พลังงานต่ำ และการส่งข้อมูลความเร็วสูง ในทางกลับกัน การรวมระบบแบบมัลติชิปให้ความยืดหยุ่นในการออกแบบที่มากขึ้น และใช้ประโยชน์จากขีดความสามารถในการผลิตที่มีอยู่ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ปัจจัยเหล่านี้มีน้ำหนักมากกว่าประโยชน์ของการรวมระบบที่แน่นหนาขึ้น ขณะที่การวิจัยดำเนินไป แนวทางแบบผสมผสานที่รวมองค์ประกอบของทั้งสองกลยุทธ์เข้าด้วยกันก็กำลังถูกสำรวจเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของระบบ พร้อมกับบรรเทาความท้าทายที่เกี่ยวข้องกับแต่ละแนวทาง