ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक एकीकरण विधि

optoelectronicएकीकरण विधि

का एकीकरणफोटोनिक्ससूचना प्रसंस्करण प्रणालियों की क्षमताओं को बेहतर बनाने, तेज़ डेटा स्थानांतरण दर, कम बिजली खपत और अधिक कॉम्पैक्ट डिवाइस डिज़ाइन को सक्षम करने और सिस्टम डिज़ाइन के लिए विशाल नए अवसरों को खोलने में इलेक्ट्रॉनिक्स और सूचना प्रसंस्करण प्रणालियों की क्षमताओं को बेहतर बनाने 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 होता 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. अंतर्संबंध हानि को कम करना: फोटॉन और इलेक्ट्रॉनिक घटकों को निकटता में रखने से ऑफ-चिप कनेक्शन से जुड़े सिग्नल हानि को कम किया जा सकता 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 डिवाइसों के लिए अनुमति देता है, जो विशेष रूप से स्थान-सीमित अनुप्रयोगों, जैसे डेटा सेंटर या हैंडहेल्ड डिवाइसों के लिए फायदेमंद है।
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 कम 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 उन्हें एक साथ जोड़कर एक सामान्य पैकेज या सब्सट्रेट पर रखा जाता है (चित्र 1)। अब आइए ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक चिप्स के बीच बंधन विधियों को सूचीबद्ध करें। प्रत्यक्ष बंधन: इस तकनीक में दो समतल सतहों का सीधा भौतिक संपर्क और बंधन शामिल होता है, जो आमतौर पर आणविक बंधन बलों, ऊष्मा और दबाव द्वारा सुगम होता है। इसका लाभ सरलता और संभावित रूप से बहुत कम हानि वाले कनेक्शन हैं, लेकिन इसके लिए सटीक रूप से संरेखित और साफ़ 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 बंधित किया जाता है, जिससे प्रकाश चिप के अंदर और बाहर युग्मित हो सकता है। ग्रेटिंग का उपयोग ऊर्ध्वाधर युग्मन के लिए भी किया जा सकता है, जिससे फोटोनिक चिप और बाहरी फाइबर के बीच प्रकाश 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। सूक्ष्म-उत्तल बिंदुओं के साथ मिलकर, ये उच्च-घनत्व एकीकरण के लिए उपयुक्त, स्टैक्ड विन्यास में इलेक्ट्रॉनिक और फोटोनिक चिप्स के बीच विद्युतीय संयोजन प्राप्त करने में मदद करते हैं। ऑप्टिकल मध्यवर्ती परत: ऑप्टिकल मध्यवर्ती परत एक अलग सब्सट्रेट होती है जिसमें ऑप्टिकल वेवगाइड होते हैं जो चिप्स के बीच ऑप्टिकल संकेतों को रूट करने के लिए मध्यस्थ के रूप में कार्य करते हैं। यह सटीक संरेखण और अतिरिक्त निष्क्रियता प्रदान करता है।ऑप्टिकल घटकोंकनेक्शन की लचीलापन बढ़ाने के लिए इन्हें 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 डायरेक्ट बॉन्डिंग और माइक्रो-बम्प तकनीक को जोड़ती है। यह उच्च-प्रदर्शन ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक सह-एकीकरण के लिए विशेष रूप से आशाजनक है। सोल्डर बम्प बॉन्डिंग: फ्लिप चिप बॉन्डिंग की तरह, सोल्डर बम्प का उपयोग विद्युत कनेक्शन बनाने के लिए किया जाता है। हालाँकि, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक एकीकरण के संदर्भ में, तापीय तनाव से होने वाले फोटोनिक घटकों को होने वाले नुकसान से बचने और ऑप्टिकल संरेखण 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 की दुनिया मूर के नियम में सुधारों का अनुसरण करती रहेगी, CMOS या Bi-CMOS की प्रत्येक पीढ़ी को एक सस्ते सिलिकॉन फोटोनिक चिप पर शीघ्रता से अनुकूलित करना संभव होगा, जिससे फोटोनिक्स और इलेक्ट्रॉनिक्स की सर्वोत्तम प्रक्रियाओं का लाभ उठाया जा सकेगा। चूँकि फोटोनिक्स में आमतौर पर बहुत छोटी संरचनाओं (लगभग 100 नैनोमीटर के कुंजी आकार सामान्य हैं) के निर्माण की आवश्यकता नहीं होती है और उपकरण ट्रांजिस्टर की तुलना में बड़े होते हैं, इसलिए आर्थिक कारणों से फोटोनिक उपकरणों का निर्माण एक अलग प्रक्रिया में करने की प्रवृत्ति होगी, जो अंतिम उत्पाद के लिए आवश्यक किसी भी उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स से अलग हो।
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 का कारण बनता है और इसके लिए जटिल संरेखण प्रक्रियाओं की आवश्यकता हो सकती है।
2, बढ़ी हुई जटिलता और आकार: व्यक्तिगत घटकों को अतिरिक्त पैकेजिंग और अंतर्संबंधों की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप बड़े आकार और संभावित रूप से उच्च लागत होती है।
3, उच्च विद्युत खपत: लंबे सिग्नल पथ और अतिरिक्त पैकेजिंग, मोनोलिथिक एकीकरण की तुलना में विद्युत आवश्यकताओं को बढ़ा सकते हैं।
निष्कर्ष:
मोनोलिथिक और मल्टी-चिप एकीकरण के बीच चयन अनुप्रयोग-विशिष्ट आवश्यकताओं पर निर्भर करता है, जिसमें प्रदर्शन लक्ष्य, आकार संबंधी सीमाएँ, लागत संबंधी विचार और तकनीकी परिपक्वता शामिल हैं। विनिर्माण जटिलता के बावजूद, मोनोलिथिक एकीकरण उन अनुप्रयोगों के लिए लाभप्रद है जिनमें अत्यधिक लघुकरण, कम बिजली खपत और उच्च गति डेटा संचरण 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 सघन एकीकरण के लाभों से अधिक महत्वपूर्ण होते हैं। जैसे-जैसे अनुसंधान आगे बढ़ रहा है, दोनों रणनीतियों के तत्वों को संयोजित करने वाले हाइब्रिड दृष्टिकोणों की भी खोज की जा रही है ताकि प्रत्येक दृष्टिकोण से जुड़ी चुनौतियों को कम करते हुए सिस्टम प्रदर्शन को अनुकूलित किया जा सके।