วิธีการบูรณาการออปโตอิเล็กทรอนิกส์

ออปโตอิเล็กทรอนิกส์วิธีการบูรณาการ

การบูรณาการของโฟโตนิกส์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ถือเป็นก้าวสำคัญในการปรับปรุงความสามารถของระบบประมวลผลข้อมูล ช่วยให้สามารถถ่ายโอนข้อมูลได้เร็วขึ้น ใช้พลังงานน้อยลง และสามารถออกแบบอุปกรณ์ให้กะทัดรัดมากขึ้น และยังเปิดโอกาสใหม่ๆ มากมายสำหรับการออกแบบระบบอีกด้วย โดยทั่วไปวิธีการรวมระบบจะแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่ การผสานรวมแบบโมโนลิธิกและการผสานรวมแบบมัลติชิป

การบูรณาการแบบโมโนลิธิก
การบูรณาการแบบโมโนลิธิกเกี่ยวข้องกับการผลิตส่วนประกอบโฟโตนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์บนซับสเตรตเดียวกัน โดยปกติจะใช้วัสดุและกระบวนการที่เข้ากันได้ แนวทางนี้มุ่งเน้นไปที่การสร้างอินเทอร์เฟซที่ไร้รอยต่อระหว่างแสงและไฟฟ้าภายในชิปตัวเดียว
ข้อดี:
1. ลดการสูญเสียการเชื่อมต่อ: การวางโฟตอนและส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ไว้ในบริเวณใกล้เคียงจะช่วยลดการสูญเสียสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อนอกชิป
2. ประสิทธิภาพที่ได้รับการปรับปรุง: การบูรณาการที่แน่นหนายิ่งขึ้นสามารถนำไปสู่ความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลที่รวดเร็วยิ่งขึ้นเนื่องจากเส้นทางสัญญาณที่สั้นลงและเวลาแฝงที่ลดลง
3. ขนาดที่เล็กกว่า: การบูรณาการแบบโมโนลิธิกช่วยให้สามารถใช้อุปกรณ์ที่มีขนาดกะทัดรัดได้ ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชันที่มีพื้นที่จำกัด เช่น ศูนย์ข้อมูลหรืออุปกรณ์พกพา
4. ลดการใช้พลังงาน: ขจัดความจำเป็นในการใช้แพ็คเกจแยกต่างหากและการเชื่อมต่อระยะไกล ซึ่งสามารถลดความต้องการพลังงานได้อย่างมาก
ท้าทาย:
1) ความเข้ากันได้ของวัสดุ: การค้นหาวัสดุที่รองรับทั้งอิเล็กตรอนคุณภาพสูงและฟังก์ชันโฟโตนิกอาจเป็นเรื่องท้าทายเนื่องจากมักต้องการคุณสมบัติที่แตกต่างกัน
2. ความเข้ากันได้ของกระบวนการ: การรวมกระบวนการผลิตที่หลากหลายของอิเล็กทรอนิกส์และโฟตอนไว้บนพื้นฐานเดียวกันโดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพของส่วนประกอบใดส่วนประกอบหนึ่งลดลงเป็นงานที่ซับซ้อน
4. การผลิตที่ซับซ้อน: ความแม่นยำสูงที่จำเป็นสำหรับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตโนนิกส์ทำให้ความซับซ้อนและต้นทุนการผลิตเพิ่มขึ้น

การรวมชิปหลายตัว
แนวทางนี้ช่วยให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในการเลือกวัสดุและกระบวนการสำหรับแต่ละฟังก์ชัน ในการบูรณาการนี้ ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และโฟตอนิกส์มาจากกระบวนการที่แตกต่างกัน จากนั้นจึงประกอบเข้าด้วยกันและวางบนแพ็คเกจหรือพื้นผิวทั่วไป (รูปที่ 1) ตอนนี้เรามาทำรายการโหมดการเชื่อมระหว่างชิปออปโตอิเล็กทรอนิกส์ การเชื่อมโดยตรง: เทคนิคนี้เกี่ยวข้องกับการสัมผัสทางกายภาพโดยตรงและการเชื่อมของพื้นผิวระนาบสองพื้นผิว ซึ่งโดยปกติแล้วจะได้รับความช่วยเหลือจากแรงยึดของโมเลกุล ความร้อน และแรงดัน เทคนิคนี้มีข้อได้เปรียบคือความเรียบง่ายและการเชื่อมต่อที่อาจสูญเสียได้ต่ำมาก แต่ต้องใช้พื้นผิวที่เรียงกันอย่างแม่นยำและสะอาด การเชื่อมต่อไฟเบอร์/กริดติ้ง: ในโครงร่างนี้ ไฟเบอร์หรืออาร์เรย์ไฟเบอร์จะเรียงกันและเชื่อมกับขอบหรือพื้นผิวของชิปโฟตอนิกส์ ช่วยให้สามารถเชื่อมต่อแสงเข้าและออกจากชิปได้ กริดติ้งยังสามารถใช้สำหรับการเชื่อมต่อแนวตั้ง ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการส่งผ่านแสงระหว่างชิปโฟตอนิกส์และไฟเบอร์ภายนอก รูทะลุซิลิคอน (TSV) และไมโครบัมพ์ รูทะลุซิลิคอนเป็นการเชื่อมต่อแนวตั้งผ่านพื้นผิวซิลิคอน ช่วยให้สามารถวางชิปซ้อนกันในสามมิติได้ เมื่อใช้ร่วมกับจุดนูนขนาดเล็ก จะช่วยให้เชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างชิปอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกส์ในรูปแบบซ้อนกันได้ ซึ่งเหมาะสำหรับการรวมความหนาแน่นสูง ชั้นกลางออปติก: ชั้นกลางออปติกเป็นสารตั้งต้นแยกต่างหากที่มีท่อนำคลื่นแสงซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการส่งสัญญาณออปติกระหว่างชิป ช่วยให้จัดตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ และยังมีฟังก์ชันพาสซีฟเพิ่มเติมส่วนประกอบออปติคัลสามารถผสานรวมเพื่อเพิ่มความยืดหยุ่นในการเชื่อมต่อได้ การเชื่อมต่อแบบไฮบริด: เทคโนโลยีการเชื่อมต่อขั้นสูงนี้ผสมผสานการเชื่อมต่อโดยตรงและเทคโนโลยีไมโครบัมพ์เพื่อให้ได้การเชื่อมต่อไฟฟ้าความหนาแน่นสูงระหว่างชิปและอินเทอร์เฟซออปติกคุณภาพสูง ซึ่งมีแนวโน้มดีเป็นพิเศษสำหรับการผสานรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูง การเชื่อมต่อแบบบัดกรีบัมพ์: คล้ายกับการเชื่อมต่อแบบฟลิปชิป มีการใช้การบัดกรีบัมพ์เพื่อสร้างการเชื่อมต่อไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ในบริบทของการรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษในการหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อส่วนประกอบโฟตอนิกที่เกิดจากความเครียดจากความร้อนและการรักษาการจัดตำแหน่งออปติก

รูปที่ 1: : แผนผังการเชื่อมต่อชิปอิเล็กตรอน/โฟตอน

ประโยชน์ของแนวทางเหล่านี้มีมากมาย: ในขณะที่โลกของ CMOS ยังคงเดินตามแนวทางการพัฒนากฎของมัวร์ การนำ CMOS หรือ Bi-CMOS แต่ละรุ่นมาปรับใช้กับชิปโฟโตนิกส์ซิลิคอนราคาถูกจึงเป็นไปได้อย่างรวดเร็ว โดยได้รับประโยชน์จากกระบวนการที่ดีที่สุดในด้านโฟโตนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากโดยทั่วไปแล้ว โฟโตนิกส์ไม่จำเป็นต้องผลิตโครงสร้างขนาดเล็กมาก (โดยทั่วไปแล้ว ขนาดคีย์จะอยู่ที่ประมาณ 100 นาโนเมตร) และอุปกรณ์มีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์ การพิจารณาทางเศรษฐกิจจึงมีแนวโน้มที่จะผลักดันให้ผลิตอุปกรณ์โฟโตนิกส์ในกระบวนการที่แยกจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูงที่จำเป็นสำหรับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย
ข้อดี:
1. ความยืดหยุ่น: สามารถใช้วัสดุและกระบวนการต่างๆ ได้อย่างอิสระเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกส์
2. ความสมบูรณ์ของกระบวนการ: การใช้กระบวนการผลิตที่สมบูรณ์สำหรับแต่ละส่วนประกอบสามารถทำให้การผลิตง่ายขึ้นและลดต้นทุนได้
3. การอัพเกรดและการบำรุงรักษาที่ง่ายกว่า: การแยกส่วนประกอบช่วยให้สามารถเปลี่ยนหรืออัพเกรดส่วนประกอบแต่ละชิ้นได้ง่ายขึ้นโดยไม่ส่งผลกระทบต่อระบบทั้งหมด
ท้าทาย:
1. การสูญเสียการเชื่อมต่อ: การเชื่อมต่อนอกชิปทำให้เกิดการสูญเสียสัญญาณเพิ่มเติมและอาจต้องใช้ขั้นตอนการจัดตำแหน่งที่ซับซ้อน
2. ความซับซ้อนและขนาดที่เพิ่มขึ้น: ส่วนประกอบแต่ละชิ้นต้องมีบรรจุภัณฑ์และการเชื่อมต่อเพิ่มเติม ส่งผลให้ขนาดใหญ่ขึ้นและอาจมีต้นทุนที่สูงขึ้น
3. การใช้พลังงานที่สูงขึ้น: เส้นทางสัญญาณที่ยาวขึ้นและบรรจุภัณฑ์เพิ่มเติมอาจเพิ่มความต้องการพลังงานเมื่อเทียบกับการรวมระบบแบบโมโนลิธิก
บทสรุป:
การเลือกใช้ระหว่างการรวมชิปแบบโมโนลิธิกและแบบมัลติชิปนั้นขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของแอปพลิเคชัน รวมถึงเป้าหมายด้านประสิทธิภาพ ข้อจำกัดด้านขนาด การพิจารณาต้นทุน และความพร้อมของเทคโนโลยี แม้จะมีความซับซ้อนในการผลิต แต่การรวมชิปแบบโมโนลิธิกนั้นก็มีข้อได้เปรียบสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการการย่อส่วนอย่างมาก การใช้พลังงานต่ำ และการส่งข้อมูลความเร็วสูง ในทางกลับกัน การรวมชิปแบบมัลติชิปนั้นให้ความยืดหยุ่นในการออกแบบที่มากขึ้น และใช้ประโยชน์จากความสามารถในการผลิตที่มีอยู่ ทำให้เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่ปัจจัยเหล่านี้มีน้ำหนักมากกว่าประโยชน์ของการรวมชิปที่แน่นแฟ้นยิ่งขึ้น ในขณะที่การวิจัยดำเนินไป แนวทางแบบผสมผสานที่รวมองค์ประกอบของทั้งสองกลยุทธ์เข้าด้วยกันก็กำลังถูกสำรวจเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของระบบในขณะที่บรรเทาความท้าทายที่เกี่ยวข้องกับแนวทางแต่ละแนวทาง