طريقة التكامل الإلكترونية البصرية

البصرية الإلكترونيةطريقة التكامل

دمجالضوئيةوالالكترونيات هي خطوة أساسية في تحسين إمكانات أنظمة معالجة المعلومات ، وتمكين معدلات نقل البيانات بشكل أسرع ، وانخفاض استهلاك الطاقة ، وتصميمات الأجهزة الأكثر إحكاما ، وفتح فرص جديدة ضخمة لتصميم النظام. تنقسم طرق التكامل عمومًا إلى فئتين: التكامل المتجانس والتكامل متعدد السقوط.

تكامل متجانس
يتضمن التكامل المتجانس تصنيع المكونات الضوئية والإلكترونية على نفس الركيزة ، وعادة ما باستخدام مواد وعمليات متوافقة. يركز هذا النهج على إنشاء واجهة سلسة بين الضوء والكهرباء داخل شريحة واحدة.
المزايا:
1. تقليل خسائر الترابط: وضع الفوتونات والمكونات الإلكترونية على مقربة من خسائر الإشارة المرتبطة بالاتصالات خارج الرقاقة.
2 ، الأداء المحسن: يمكن أن يؤدي التكامل الأكثر إحكاما إلى سرعات نقل البيانات بشكل أسرع بسبب مسارات الإشارة الأقصر وانخفاض الكمون.
3 ، الحجم الأصغر: يتيح التكامل المتجانس للأجهزة المدمجة للغاية ، وهو مفيد بشكل خاص للتطبيقات المحدودة للمساحة ، مثل مراكز البيانات أو الأجهزة المحمولة.
4 ، تقليل استهلاك الطاقة: القضاء على الحاجة إلى حزم منفصلة وترابط لمسافات طويلة ، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من متطلبات الطاقة.
تحدي:
1) توافق المواد: يمكن أن يكون العثور على مواد تدعم كل من الإلكترونات عالية الجودة والوظائف الضوئية أمرًا صعبًا لأنها تتطلب خصائص مختلفة.
2 ، توافق العملية: دمج عمليات التصنيع المتنوعة للإلكترونيات والفوتونات على الركيزة نفسها دون تحلل أداء أي مكون واحد هو مهمة معقدة.
4 ، التصنيع المعقد: الدقة العالية المطلوبة للهياكل الإلكترونية والضوئية تزيد من تعقيد وتكلفة التصنيع.

تكامل متعدد السقوط
يسمح هذا النهج لمزيد من المرونة في اختيار المواد والعمليات لكل وظيفة. في هذا التكامل ، تأتي المكونات الإلكترونية والضورية من عمليات مختلفة ثم يتم تجميعها معًا ووضعها على حزمة أو ركيزة شائعة (الشكل 1). الآن دعونا ندرج أوضاع الترابط بين رقائق الإلكترونية البصرية. الترابط المباشر: تتضمن هذه التقنية التلامس المادي المباشر والربط بين أسطحين مستويين ، وعادة ما يسهله قوى الترابط الجزيئي والحرارة والضغط. لديها ميزة البساطة وربط اتصالات فقدان منخفضة للغاية ، ولكنها تتطلب محاذاة ونظيفة بدقة. اقتران الألياف/الصريف: في هذا المخطط ، يتم محاذاة صفيف الألياف أو الألياف وربطها بحافة أو سطح الشريحة الضوئية ، مما يسمح للضوء بالاقتران والخروج من الشريحة. يمكن أيضًا استخدام الصريف للاقتران الرأسي ، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة انتقال الضوء بين الشريحة الضوئية والألياف الخارجية. من خلال الثقوب من خلال Silicon (TSVs) والضارب الدقيقة: ثقوب من خلال silicon هي ربطات عمودية من خلال ركيزة السيليكون ، مما يسمح للبطاطا بتكديس في ثلاثة أبعاد. بالاقتران مع نقاط micro-convex ، فهي تساعد على تحقيق اتصالات كهربائية بين الرقائق الإلكترونية والضورية في تكوينات مكدسة ، مناسبة للتكامل عالي الكثافة. الطبقة الوسيطة البصرية: الطبقة الوسيطة البصرية هي ركيزة منفصلة تحتوي على أدلة موجية ضوئية تعمل كوسيط لتوجيه الإشارات البصرية بين الرقائق. يسمح بمحاذاة دقيقة ، وسلبي إضافيالمكونات البصريةيمكن دمجها لزيادة مرونة الاتصال. الترابط الهجين: تجمع تقنية الترابط المتقدمة بين الترابط المباشر وتكنولوجيا القمامة الصغيرة لتحقيق اتصالات كهربائية عالية الكثافة بين الرقائق والواجهات البصرية عالية الجودة. إنه واعد بشكل خاص للدمج الإلكتروني العالي الأداء. رابطة عثرة لحام: على غرار الترابط الرقائق الوجه ، يتم استخدام نتوءات اللحام لإنشاء اتصالات كهربائية. ومع ذلك ، في سياق التكامل الإلكترونية البصرية ، يجب إيلاء اهتمام خاص لتجنب الأضرار التي لحقت بالمكونات الضوئية الناجمة عن الإجهاد الحراري والحفاظ على المحاذاة البصرية.

الشكل 1 :: نظام الترابط إلى رقاقة الإلكترون/الفوتون

تعتبر فوائد هذه الأساليب مهمة: مع استمرار عالم CMOS في اتباع التحسينات في قانون مور ، سيكون من الممكن تكييف كل جيل من CMOs أو Bi-CMOS بسرعة على شريحة ضوئية من السيليكون الرخيصة ، وتجني فوائد أفضل العمليات في الضوئيات والإلكترونيات. نظرًا لأن الضوئية لا تتطلب عمومًا تصنيع هياكل صغيرة جدًا (أحجام رئيسية تبلغ حوالي 100 نانومترات نموذجية) ، والأجهزة كبيرة مقارنة بالترانزستورات ، ستميل الاعتبارات الاقتصادية إلى دفع الأجهزة الضوئية لتصنيعها في عملية منفصلة ، مفصولة عن أي إلكترونيات متقدمة مطلوبة للمنتج النهائي.
المزايا:
1 ، المرونة: يمكن استخدام مواد وعمليات مختلفة بشكل مستقل لتحقيق أفضل أداء للمكونات الإلكترونية والضوء.
2 ، نضج العملية: يمكن أن يؤدي استخدام عمليات التصنيع الناضجة لكل مكون إلى تبسيط الإنتاج وخفض التكاليف.
3 ، ترقية وصيانة أسهل: يتيح فصل المكونات استبدال المكونات الفردية أو ترقيتها بسهولة أكبر دون التأثير على النظام بأكمله.
تحدي:
1 ، فقدان الترابط: يقدم الاتصال خارج الرقاقة فقدان إشارة إضافية وقد يتطلب إجراءات محاذاة معقدة.
2 ، زيادة التعقيد والحجم: تتطلب المكونات الفردية عبوات وترابط إضافيين ، مما يؤدي إلى أحجام أكبر وتكاليف أعلى.
3 ، استهلاك الطاقة الأعلى: قد تزيد مسارات الإشارة الطويلة والتعبئة الإضافية من متطلبات الطاقة مقارنة بتكامل العصر الحجري.
خاتمة:
يعتمد الاختيار بين التكامل المتجانس ومتعدد السقوط على المتطلبات الخاصة بالتطبيق ، بما في ذلك أهداف الأداء ، وقيود الحجم ، واعتبارات التكلفة ، ونضج التكنولوجيا. على الرغم من تعقيد التصنيع ، فإن تكامل العصر الحجري المتجانس مفيد للتطبيقات التي تتطلب التصغير الشديد ، واستهلاك الطاقة المنخفضة ، ونقل البيانات عالي السرعة. بدلاً من ذلك ، يوفر التكامل متعدد النقاط مرونة أكبر في التصميم ويستخدم إمكانات التصنيع الحالية ، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تفوق فيها هذه العوامل فوائد التكامل الأكثر تشددًا. مع تقدم الأبحاث ، يتم استكشاف الأساليب الهجينة التي تجمع بين عناصر كلا الاستراتيجيتين لتحسين أداء النظام مع التخفيف من التحديات المرتبطة بكل نهج.