ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक एकीकरण विधि

optoelectronicएकीकरण विधि

का एकीकरणफोटोनिक्सऔर इलेक्ट्रॉनिक्स सूचना प्रसंस्करण प्रणालियों की क्षमताओं को बेहतर बनाने, तेज़ डेटा स्थानांतरण दर, कम बिजली की खपत और अधिक कॉम्पैक्ट डिवाइस डिज़ाइन को सक्षम करने और सिस्टम डिज़ाइन के लिए विशाल नए अवसरों को खोलने में एक महत्वपूर्ण कदम है। एकीकरण विधियों को आम तौर पर दो श्रेणियों में विभाजित किया जाता है: मोनोलिथिक एकीकरण और मल्टी-चिप एकीकरण।

अखंड एकीकरण
मोनोलिथिक एकीकरण में एक ही सब्सट्रेट पर फोटोनिक और इलेक्ट्रॉनिक घटकों का निर्माण शामिल है, आमतौर पर संगत सामग्रियों और प्रक्रियाओं का उपयोग करके। यह दृष्टिकोण एक ही चिप के भीतर प्रकाश और बिजली के बीच एक सहज इंटरफ़ेस बनाने पर केंद्रित है।
लाभ:
1. अंतर्संबंधन हानि को कम करना: फोटॉन और इलेक्ट्रॉनिक घटकों को निकटता में रखने से ऑफ-चिप कनेक्शन से जुड़ी सिग्नल हानि कम हो जाती है।
2, बेहतर प्रदर्शन: सघन एकीकरण से छोटे सिग्नल पथ और कम विलंबता के कारण डेटा स्थानांतरण गति तेज हो सकती है।
3, छोटा आकार: मोनोलिथिक एकीकरण अत्यधिक कॉम्पैक्ट उपकरणों के लिए अनुमति देता है, जो विशेष रूप से स्थान-सीमित अनुप्रयोगों के लिए फायदेमंद है, जैसे डेटा सेंटर या हैंडहेल्ड डिवाइस।
4, बिजली की खपत कम करें: अलग-अलग पैकेजों और लंबी दूरी के इंटरकनेक्ट की आवश्यकता को समाप्त करें, जिससे बिजली की आवश्यकताओं में काफी कमी आ सकती है।
चुनौती:
1) सामग्री अनुकूलता: ऐसी सामग्री खोजना जो उच्च गुणवत्ता वाले इलेक्ट्रॉनों और फोटोनिक कार्यों दोनों का समर्थन करती हो, चुनौतीपूर्ण हो सकता है क्योंकि उन्हें अक्सर अलग-अलग गुणों की आवश्यकता होती है।
2, प्रक्रिया अनुकूलता: किसी भी घटक के प्रदर्शन को ख़राब किए बिना एक ही सब्सट्रेट पर इलेक्ट्रॉनिक्स और फोटॉन की विविध विनिर्माण प्रक्रियाओं को एकीकृत करना एक जटिल कार्य है।
4, जटिल विनिर्माण: इलेक्ट्रॉनिक और फोटोनिक संरचनाओं के लिए आवश्यक उच्च परिशुद्धता विनिर्माण की जटिलता और लागत को बढ़ाती है।

बहु-चिप एकीकरण
यह दृष्टिकोण प्रत्येक कार्य के लिए सामग्री और प्रक्रियाओं के चयन में अधिक लचीलापन प्रदान करता है। इस एकीकरण में, इलेक्ट्रॉनिक और फोटोनिक घटक विभिन्न प्रक्रियाओं से आते हैं और फिर एक साथ इकट्ठे होते हैं और एक सामान्य पैकेज या सब्सट्रेट (चित्र 1) पर रखे जाते हैं। अब ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक चिप्स के बीच बॉन्डिंग मोड को सूचीबद्ध करते हैं। प्रत्यक्ष बॉन्डिंग: इस तकनीक में दो समतल सतहों का सीधा भौतिक संपर्क और बॉन्डिंग शामिल है, जो आमतौर पर आणविक बॉन्डिंग बलों, गर्मी और दबाव द्वारा सुगम होता है। इसमें सरलता और संभावित रूप से बहुत कम नुकसान वाले कनेक्शन का लाभ है, लेकिन इसके लिए सटीक रूप से संरेखित और साफ सतहों की आवश्यकता होती है। फाइबर/ग्रेटिंग युग्मन: इस योजना में, फाइबर या फाइबर सरणी को फोटोनिक चिप के किनारे या सतह पर संरेखित और बॉन्ड किया जाता है, जिससे प्रकाश को चिप के अंदर और बाहर युग्मित किया जा सकता है। ग्रेटिंग का उपयोग ऊर्ध्वाधर युग्मन के लिए भी किया जा सकता है, जिससे फोटोनिक चिप और बाहरी फाइबर के बीच प्रकाश के संचरण की दक्षता में सुधार होता है। थ्रू-सिलिकॉन होल (TSV) और माइक्रो-बम्प: थ्रू-सिलिकॉन होल एक सिलिकॉन सब्सट्रेट के माध्यम से ऊर्ध्वाधर इंटरकनेक्ट होते हैं, जिससे चिप्स को तीन आयामों में स्टैक किया जा सकता है। माइक्रो-उत्तल बिंदुओं के साथ संयुक्त, वे उच्च घनत्व एकीकरण के लिए उपयुक्त स्टैक्ड कॉन्फ़िगरेशन में इलेक्ट्रॉनिक और फोटोनिक चिप्स के बीच विद्युत कनेक्शन प्राप्त करने में मदद करते हैं। ऑप्टिकल इंटरमीडियरी लेयर: ऑप्टिकल इंटरमीडियरी लेयर एक अलग सब्सट्रेट है जिसमें ऑप्टिकल वेवगाइड होते हैं जो चिप्स के बीच ऑप्टिकल सिग्नल को रूट करने के लिए एक मध्यस्थ के रूप में काम करते हैं। यह सटीक संरेखण और अतिरिक्त निष्क्रियता की अनुमति देता हैऑप्टिकल घटककनेक्शन लचीलेपन को बढ़ाने के लिए एकीकृत किया जा सकता है। हाइब्रिड बॉन्डिंग: यह उन्नत बॉन्डिंग तकनीक चिप्स और उच्च गुणवत्ता वाले ऑप्टिकल इंटरफेस के बीच उच्च घनत्व वाले विद्युत कनेक्शन प्राप्त करने के लिए प्रत्यक्ष बॉन्डिंग और माइक्रो-बंप तकनीक को जोड़ती है। यह विशेष रूप से उच्च प्रदर्शन वाले ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक सह-एकीकरण के लिए आशाजनक है। सोल्डर बम्प बॉन्डिंग: फ्लिप चिप बॉन्डिंग के समान, सोल्डर बम्प का उपयोग विद्युत कनेक्शन बनाने के लिए किया जाता है। हालाँकि, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक एकीकरण के संदर्भ में, थर्मल तनाव के कारण फोटोनिक घटकों को होने वाले नुकसान से बचने और ऑप्टिकल संरेखण को बनाए रखने पर विशेष ध्यान दिया जाना चाहिए।

चित्र 1: इलेक्ट्रॉन/फोटॉन चिप-टू-चिप बॉन्डिंग योजना

इन तरीकों के लाभ महत्वपूर्ण हैं: जैसे-जैसे CMOS दुनिया मूर के नियम में सुधार का अनुसरण करना जारी रखती है, CMOS या Bi-CMOS की प्रत्येक पीढ़ी को सस्ते सिलिकॉन फोटोनिक चिप पर जल्दी से अनुकूलित करना संभव होगा, जिससे फोटोनिक्स और इलेक्ट्रॉनिक्स में सर्वोत्तम प्रक्रियाओं का लाभ उठाया जा सकेगा। चूँकि फोटोनिक्स में आम तौर पर बहुत छोटी संरचनाओं (लगभग 100 नैनोमीटर के कुंजी आकार सामान्य हैं) के निर्माण की आवश्यकता नहीं होती है और ट्रांजिस्टर की तुलना में डिवाइस बड़े होते हैं, इसलिए आर्थिक कारणों से फोटोनिक डिवाइस को अंतिम उत्पाद के लिए आवश्यक किसी भी उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स से अलग एक अलग प्रक्रिया में निर्मित करने की ओर अग्रसर होना पड़ेगा।
लाभ:
1, लचीलापन: इलेक्ट्रॉनिक और फोटोनिक घटकों के सर्वोत्तम प्रदर्शन को प्राप्त करने के लिए विभिन्न सामग्रियों और प्रक्रियाओं का स्वतंत्र रूप से उपयोग किया जा सकता है।
2, प्रक्रिया परिपक्वता: प्रत्येक घटक के लिए परिपक्व विनिर्माण प्रक्रियाओं का उपयोग उत्पादन को सरल बना सकता है और लागत को कम कर सकता है।
3, आसान उन्नयन और रखरखाव: घटकों को अलग करने से पूरे सिस्टम को प्रभावित किए बिना व्यक्तिगत घटकों को अधिक आसानी से प्रतिस्थापित या उन्नत किया जा सकता है।
चुनौती:
1, अंतर्संबंध हानि: ऑफ-चिप कनेक्शन अतिरिक्त सिग्नल हानि उत्पन्न करता है और इसके लिए जटिल संरेखण प्रक्रियाओं की आवश्यकता हो सकती है।
2, जटिलता और आकार में वृद्धि: व्यक्तिगत घटकों को अतिरिक्त पैकेजिंग और अंतर्संबंधों की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप आकार बड़ा हो जाता है और संभावित रूप से लागत भी अधिक हो जाती है।
3, उच्च विद्युत खपत: लंबे सिग्नल पथ और अतिरिक्त पैकेजिंग से मोनोलिथिक एकीकरण की तुलना में विद्युत की आवश्यकता बढ़ सकती है।
निष्कर्ष:
मोनोलिथिक और मल्टी-चिप एकीकरण के बीच चयन करना अनुप्रयोग-विशिष्ट आवश्यकताओं पर निर्भर करता है, जिसमें प्रदर्शन लक्ष्य, आकार की बाधाएँ, लागत संबंधी विचार और प्रौद्योगिकी परिपक्वता शामिल हैं। विनिर्माण जटिलता के बावजूद, मोनोलिथिक एकीकरण उन अनुप्रयोगों के लिए फायदेमंद है जिनमें अत्यधिक लघुकरण, कम बिजली की खपत और उच्च गति वाले डेटा ट्रांसमिशन की आवश्यकता होती है। इसके बजाय, मल्टी-चिप एकीकरण अधिक डिज़ाइन लचीलापन प्रदान करता है और मौजूदा विनिर्माण क्षमताओं का उपयोग करता है, जिससे यह उन अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हो जाता है जहाँ ये कारक अधिक सघन एकीकरण के लाभों से अधिक महत्वपूर्ण होते हैं। जैसे-जैसे शोध आगे बढ़ता है, दोनों रणनीतियों के तत्वों को संयोजित करने वाले हाइब्रिड दृष्टिकोणों का भी पता लगाया जा रहा है ताकि प्रत्येक दृष्टिकोण से जुड़ी चुनौतियों को कम करते हुए सिस्टम प्रदर्शन को अनुकूलित किया जा सके।