วิธีการบูรณาการออปโตอิเล็กทรอนิกส์

ออปโตอิเล็กทรอนิกส์วิธีการบูรณาการ

การบูรณาการของโฟโตนิกส์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นขั้นตอนสำคัญในการปรับปรุงขีดความสามารถของระบบประมวลผลข้อมูล ช่วยให้อัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่เร็วขึ้น การใช้พลังงานลดลง และการออกแบบอุปกรณ์ที่กะทัดรัดยิ่งขึ้น และเปิดโอกาสใหม่มากมายสำหรับการออกแบบระบบ โดยทั่วไปวิธีการบูรณาการจะแบ่งออกเป็นสองประเภท: การรวมแบบเสาหินและการรวมแบบหลายชิป

บูรณาการเสาหิน
การบูรณาการแบบเสาหินเกี่ยวข้องกับการผลิตชิ้นส่วนโฟโตนิกและอิเล็กทรอนิกส์บนพื้นผิวเดียวกัน โดยปกติจะใช้วัสดุและกระบวนการที่เข้ากันได้ แนวทางนี้มุ่งเน้นไปที่การสร้างส่วนต่อประสานที่ราบรื่นระหว่างแสงและไฟฟ้าภายในชิปตัวเดียว
ข้อดี:
1. ลดการสูญเสียการเชื่อมต่อโครงข่าย: การวางโฟตอนและส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ไว้ใกล้กันจะช่วยลดการสูญเสียสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อนอกชิปให้เหลือน้อยที่สุด
2, ประสิทธิภาพที่ได้รับการปรับปรุง: การบูรณาการที่เข้มงวดยิ่งขึ้นสามารถนำไปสู่ความเร็วการถ่ายโอนข้อมูลที่เร็วขึ้นเนื่องจากเส้นทางสัญญาณที่สั้นลงและเวลาแฝงที่ลดลง
3 ขนาดที่เล็กลง: การบูรณาการแบบเสาหินช่วยให้อุปกรณ์มีขนาดกะทัดรัด ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชันที่มีพื้นที่จำกัด เช่น ศูนย์ข้อมูลหรืออุปกรณ์มือถือ
4 ลดการใช้พลังงาน: ไม่จำเป็นต้องแยกแพ็คเกจและการเชื่อมต่อทางไกล ซึ่งสามารถลดความต้องการพลังงานได้อย่างมาก
ท้าทาย:
1) ความเข้ากันได้ของวัสดุ: การค้นหาวัสดุที่รองรับทั้งอิเล็กตรอนและฟังก์ชันโฟโตนิกคุณภาพสูงอาจเป็นเรื่องที่ท้าทาย เนื่องจากมักต้องการคุณสมบัติที่แตกต่างกัน
2. ความเข้ากันได้ของกระบวนการ: การรวมกระบวนการผลิตที่หลากหลายของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และโฟตอนไว้บนพื้นผิวเดียวกันโดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพของส่วนประกอบใดๆ ลดลงถือเป็นงานที่ซับซ้อน
4 การผลิตที่ซับซ้อน: ความแม่นยำสูงที่จำเป็นสำหรับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกส์จะเพิ่มความซับซ้อนและต้นทุนการผลิต

การบูรณาการหลายชิป
วิธีการนี้ช่วยให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในการเลือกวัสดุและกระบวนการสำหรับแต่ละฟังก์ชัน ในการบูรณาการนี้ ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกมาจากกระบวนการที่แตกต่างกัน จากนั้นจึงประกอบเข้าด้วยกันและวางบนบรรจุภัณฑ์หรือวัสดุพิมพ์ทั่วไป (รูปที่ 1) ตอนนี้เรามาแสดงรายการโหมดการเชื่อมระหว่างชิปออปโตอิเล็กทรอนิกส์ การเชื่อมติดโดยตรง: เทคนิคนี้เกี่ยวข้องกับการสัมผัสทางกายภาพโดยตรงและการเชื่อมติดกันของพื้นผิวระนาบสองอัน ซึ่งมักจะได้รับความช่วยเหลือจากแรงยึดเหนี่ยวของโมเลกุล ความร้อน และความดัน มีข้อดีคือความเรียบง่ายและการสูญเสียการเชื่อมต่อที่ต่ำมาก แต่ต้องมีการจัดตำแหน่งพื้นผิวที่สะอาดและแม่นยำ การเชื่อมต่อแบบไฟเบอร์/ตะแกรง: ในรูปแบบนี้ ไฟเบอร์หรืออาเรย์ของไฟเบอร์จะถูกจัดตำแหน่งและเชื่อมเข้ากับขอบหรือพื้นผิวของชิปโฟโตนิก เพื่อให้แสงสามารถเชื่อมต่อเข้าและออกจากชิปได้ ตะแกรงยังสามารถใช้สำหรับการเชื่อมต่อแนวตั้ง ปรับปรุงประสิทธิภาพของการส่งผ่านแสงระหว่างชิปโฟโตนิกและเส้นใยภายนอก รูทะลุซิลิคอน (TSV) และไมโครกระแทก: รูทรูซิลิคอนเป็นการเชื่อมต่อในแนวตั้งผ่านซับสเตรตซิลิกอน ช่วยให้ชิปสามารถเรียงซ้อนกันเป็นสามมิติได้ เมื่อรวมกับจุดนูนขนาดเล็ก พวกมันช่วยให้เกิดการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างชิปอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกในการกำหนดค่าแบบเรียงซ้อน เหมาะสำหรับการบูรณาการที่มีความหนาแน่นสูง ชั้นตัวกลางแสง: ชั้นตัวกลางแสงเป็นสารตั้งต้นแยกต่างหากที่มีท่อนำคลื่นแสงซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวกลางสำหรับการกำหนดเส้นทางสัญญาณแสงระหว่างชิป ช่วยให้การจัดตำแหน่งที่แม่นยำและแบบพาสซีฟเพิ่มเติมส่วนประกอบทางแสงสามารถรวมเข้าด้วยกันเพื่อเพิ่มความยืดหยุ่นในการเชื่อมต่อ การเชื่อมแบบไฮบริด: เทคโนโลยีการเชื่อมขั้นสูงนี้ผสมผสานการเชื่อมโดยตรงและเทคโนโลยี micro-bump เพื่อให้ได้การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่มีความหนาแน่นสูงระหว่างชิปและอินเทอร์เฟซแบบออปติคอลคุณภาพสูง มีแนวโน้มที่ดีเป็นพิเศษสำหรับการรวมระบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพสูง การบัดกรีแบบชนกัน: คล้ายกับการยึดแบบฟลิปชิป การบัดกรีแบบบัดกรีใช้เพื่อสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ในบริบทของการรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์ จะต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อส่วนประกอบโฟโตนิกที่เกิดจากความเครียดจากความร้อน และการรักษาการจัดตำแหน่งทางแสง

รูปที่ 1: แผนผังพันธะระหว่างอิเล็กตรอน/โฟตอนแบบชิปต่อชิป

ประโยชน์ของแนวทางเหล่านี้มีความสำคัญ: เนื่องจากโลกของ CMOS ยังคงปฏิบัติตามการปรับปรุงในกฎของมัวร์ จึงเป็นไปได้ที่จะปรับ CMOS หรือ Bi-CMOS แต่ละเจเนอเรชันได้อย่างรวดเร็วบนชิปโฟโตนิกซิลิคอนราคาถูก โดยเก็บเกี่ยวผลประโยชน์จากกระบวนการที่ดีที่สุดใน โฟโตนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากโดยทั่วไปโฟโตนิกไม่ต้องการการสร้างโครงสร้างที่เล็กมาก (ขนาดคีย์โดยทั่วไปประมาณ 100 นาโนเมตร) และอุปกรณ์มีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์ ข้อพิจารณาทางเศรษฐกิจมีแนวโน้มที่จะผลักดันให้อุปกรณ์โฟโตนิกถูกผลิตขึ้นในกระบวนการแยกกัน โดยแยกออกจากขั้นสูงใดๆ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่จำเป็นสำหรับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย
ข้อดี:
1 ความยืดหยุ่น: สามารถใช้วัสดุและกระบวนการที่แตกต่างกันได้อย่างอิสระเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิก
2 กระบวนการครบกำหนด: การใช้กระบวนการผลิตที่ครบกำหนดสำหรับแต่ละส่วนประกอบสามารถลดความซับซ้อนในการผลิตและลดต้นทุน
3 การอัพเกรดและบำรุงรักษาง่ายขึ้น: การแยกส่วนประกอบทำให้สามารถเปลี่ยนหรืออัพเกรดส่วนประกอบแต่ละส่วนได้ง่ายขึ้น โดยไม่กระทบต่อทั้งระบบ
ท้าทาย:
1 การสูญเสียการเชื่อมต่อโครงข่าย: การเชื่อมต่อนอกชิปทำให้เกิดการสูญเสียสัญญาณเพิ่มเติม และอาจต้องใช้ขั้นตอนการจัดตำแหน่งที่ซับซ้อน
2 ความซับซ้อนและขนาดที่เพิ่มขึ้น: ส่วนประกอบแต่ละชิ้นจำเป็นต้องมีบรรจุภัณฑ์และการเชื่อมต่อเพิ่มเติม ส่งผลให้มีขนาดที่ใหญ่ขึ้นและอาจมีราคาสูงขึ้น
3, การใช้พลังงานที่สูงขึ้น: เส้นทางสัญญาณที่ยาวขึ้นและบรรจุภัณฑ์เพิ่มเติมอาจเพิ่มความต้องการพลังงานเมื่อเทียบกับการรวมเสาหิน
บทสรุป:
การเลือกระหว่างการผสานรวมแบบโมโนลิทิกและแบบหลายชิปขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะแอปพลิเคชัน รวมถึงเป้าหมายด้านประสิทธิภาพ ข้อจำกัดด้านขนาด การพิจารณาด้านต้นทุน และความพร้อมทางเทคโนโลยี แม้จะมีความซับซ้อนในการผลิต แต่การบูรณาการแบบเสาหินก็เป็นประโยชน์สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการการย่อขนาดลงอย่างมาก การใช้พลังงานต่ำ และการส่งข้อมูลความเร็วสูง แต่การบูรณาการหลายชิปกลับมอบความยืดหยุ่นในการออกแบบที่มากขึ้น และใช้ความสามารถด้านการผลิตที่มีอยู่ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ปัจจัยเหล่านี้มีมากกว่าประโยชน์ของการบูรณาการที่เข้มงวดมากขึ้น ในขณะที่การวิจัยดำเนินไป แนวทางแบบผสมผสานที่รวมองค์ประกอบของทั้งสองกลยุทธ์ก็กำลังได้รับการสำรวจเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของระบบ ในขณะเดียวกันก็บรรเทาความท้าทายที่เกี่ยวข้องกับแต่ละแนวทางด้วย