طريقة التكامل الضوئي الإلكتروني

البصريات الإلكترونيةطريقة التكامل

التكاملالفوتونياتيُعدّ التكامل بين الحواسيب والإلكترونيات خطوةً أساسيةً في تحسين قدرات أنظمة معالجة المعلومات، مما يُتيح نقل بيانات أسرع، واستهلاكًا أقل للطاقة، وتصميمات أجهزة أكثر إحكامًا، ويفتح آفاقًا جديدةً هائلةً لتصميم الأنظمة. تُقسّم أساليب التكامل عمومًا إلى فئتين: التكامل الموحّد والتكامل متعدد الشرائح.

التكامل المتجانس
يتضمن التكامل المتجانس تصنيع مكونات فوتونية وإلكترونية على نفس الركيزة، عادةً باستخدام مواد وعمليات متوافقة. يركز هذا النهج على إنشاء واجهة سلسة بين الضوء والكهرباء داخل شريحة واحدة.
المزايا:
1. تقليل خسائر الترابط: إن وضع الفوتونات والمكونات الإلكترونية على مقربة من بعضها البعض يقلل من خسائر الإشارة المرتبطة بالاتصالات خارج الشريحة.
2. تحسين الأداء: يمكن أن يؤدي التكامل الأكثر إحكامًا إلى سرعات نقل بيانات أسرع بسبب مسارات الإشارة الأقصر وتقليل زمن الوصول.
3. حجم أصغر: يسمح التكامل المترابط بأجهزة مضغوطة للغاية، وهو أمر مفيد بشكل خاص للتطبيقات ذات المساحة المحدودة، مثل مراكز البيانات أو الأجهزة المحمولة.
4. تقليل استهلاك الطاقة: القضاء على الحاجة إلى حزم منفصلة ووصلات طويلة المدى، مما يمكن أن يقلل بشكل كبير من متطلبات الطاقة.
تحدي:
1) توافق المواد: قد يكون العثور على مواد تدعم كل من الإلكترونات عالية الجودة والوظائف الفوتونية أمرًا صعبًا لأنها غالبًا ما تتطلب خصائص مختلفة.
2. توافق العملية: إن دمج عمليات التصنيع المتنوعة للإلكترونيات والفوتونات على نفس الركيزة دون تدهور أداء أي مكون واحد هي مهمة معقدة.
4. التصنيع المعقد: إن الدقة العالية المطلوبة للهياكل الإلكترونية والفوتونية تزيد من تعقيد وتكلفة التصنيع.

تكامل متعدد الشرائح
يتيح هذا النهج مرونة أكبر في اختيار المواد والعمليات لكل وظيفة. في هذا التكامل، تأتي المكونات الإلكترونية والفوتونية من عمليات مختلفة، ثم تُجمّع معًا وتُوضع على عبوة أو ركيزة مشتركة (الشكل 1). لنستعرض الآن أنماط الترابط بين الرقائق الإلكترونية الضوئية. الترابط المباشر: تتضمن هذه التقنية التلامس الفيزيائي المباشر والترابط بين سطحين مستويين، وعادةً ما يُسهّل ذلك قوى الترابط الجزيئي والحرارة والضغط. تتميز هذه التقنية بالبساطة وانخفاض احتمالية فقدان التوصيلات، ولكنها تتطلب أسطحًا دقيقة ونظيفة ومتراصة. اقتران الألياف/الشبكة: في هذا النظام، تُحاذى الألياف أو مصفوفة الألياف وتُربط بحافة أو سطح الرقاقة الفوتونية، مما يسمح باقتران الضوء داخل الرقاقة وخارجها. يمكن أيضًا استخدام الشبكة للاقتران الرأسي، مما يُحسّن كفاءة انتقال الضوء بين الرقاقة الفوتونية والألياف الخارجية. ثقوب السيليكون العابرة (TSVs) والنتوءات الدقيقة: ثقوب السيليكون العابرة هي وصلات رأسية عبر ركيزة سيليكون، مما يسمح بتكديس الرقاقات في ثلاثة أبعاد. عند دمجها مع نقاط محدبة دقيقة، تُساعد هذه النقاط على تحقيق توصيلات كهربائية بين الرقائق الإلكترونية والفوتونية في تكوينات متراصة، مناسبة للتكامل عالي الكثافة. طبقة الوسيط البصري: طبقة الوسيط البصري هي ركيزة منفصلة تحتوي على أدلة موجية بصرية تعمل كوسيط لتوجيه الإشارات الضوئية بين الرقائق. تتيح هذه الطبقة محاذاة دقيقة، ووظائف سلبية إضافية.المكونات البصريةيمكن دمجها لزيادة مرونة التوصيل. الربط الهجين: تجمع تقنية الربط المتقدمة هذه بين الربط المباشر وتقنية النتوءات الدقيقة لتحقيق توصيلات كهربائية عالية الكثافة بين الرقاقات والواجهات البصرية عالية الجودة. وهي تقنية واعدة بشكل خاص للتكامل المشترك عالي الأداء في الإلكترونيات الضوئية. ربط نتوءات اللحام: على غرار ربط الرقاقة المقلوبة، تُستخدم نتوءات اللحام لإنشاء توصيلات كهربائية. ومع ذلك، في سياق التكامل الإلكتروني الضوئي، يجب إيلاء اهتمام خاص لتجنب تلف المكونات الفوتونية الناتج عن الإجهاد الحراري والحفاظ على المحاذاة البصرية.

الشكل 1: مخطط ربط رقاقة الإلكترون/الفوتون بشريحة

فوائد هذه الأساليب كبيرة: فمع استمرار عالم CMOS في اتباع تحسينات قانون مور، سيتسنى تكييف كل جيل من CMOS أو ثنائي CMOS بسرعة مع شريحة فوتونية سيليكونية رخيصة، مستفيدين من أفضل العمليات في مجال الفوتونيات والإلكترونيات. ولأن الفوتونيات لا تتطلب عادةً تصنيع هياكل صغيرة جدًا (أحجام المفاتيح التي تبلغ حوالي 100 نانومتر هي الحجم المعتاد)، ولأن الأجهزة كبيرة الحجم مقارنةً بالترانزستورات، فإن الاعتبارات الاقتصادية ستدفع إلى تصنيع الأجهزة الفوتونية في عملية منفصلة، ​​منفصلة عن أي إلكترونيات متقدمة مطلوبة للمنتج النهائي.
المزايا:
1. المرونة: يمكن استخدام مواد وعمليات مختلفة بشكل مستقل لتحقيق أفضل أداء للمكونات الإلكترونية والفوتونية.
2. نضج العملية: إن استخدام عمليات التصنيع الناضجة لكل مكون يمكن أن يبسط الإنتاج ويقلل التكاليف.
3. ترقية وصيانة أسهل: يسمح فصل المكونات باستبدال المكونات الفردية أو ترقيتها بسهولة أكبر دون التأثير على النظام بأكمله.
تحدي:
1. فقدان الاتصال: يؤدي الاتصال خارج الشريحة إلى فقدان إشارة إضافي وقد يتطلب إجراءات محاذاة معقدة.
2. زيادة التعقيد والحجم: تتطلب المكونات الفردية تغليفًا وتوصيلات إضافية، مما يؤدي إلى أحجام أكبر وتكاليف أعلى محتملة.
3. استهلاك طاقة أعلى: قد تؤدي مسارات الإشارة الأطول والتغليف الإضافي إلى زيادة متطلبات الطاقة مقارنة بالتكامل المتجانس.
خاتمة:
يعتمد الاختيار بين التكامل الأحادي والتكامل متعدد الشرائح على المتطلبات الخاصة بكل تطبيق، بما في ذلك أهداف الأداء، وقيود الحجم، واعتبارات التكلفة، ونضج التكنولوجيا. على الرغم من تعقيد التصنيع، يُعد التكامل الأحادي مفيدًا للتطبيقات التي تتطلب تصغيرًا كبيرًا، واستهلاكًا منخفضًا للطاقة، ونقلًا عالي السرعة للبيانات. في المقابل، يوفر التكامل متعدد الشرائح مرونة تصميمية أكبر، ويستفيد من إمكانيات التصنيع الحالية، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتفوق فيها هذه العوامل على فوائد التكامل الأوثق. مع تقدم الأبحاث، يتم أيضًا استكشاف مناهج هجينة تجمع بين عناصر كلتا الاستراتيجيتين لتحسين أداء النظام مع التخفيف من التحديات المرتبطة بكل منهما.