ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક એકીકરણ પદ્ધતિ

ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિકએકીકરણ પદ્ધતિ

નું એકીકરણફોટોનિક્સઅને ઇલેક્ટ્રોનિક્સ એ માહિતી પ્રક્રિયા પ્રણાલીઓની ક્ષમતાઓને સુધારવા, ઝડપી ડેટા ટ્રાન્સફર દર, ઓછો પાવર વપરાશ અને વધુ કોમ્પેક્ટ ડિવાઇસ ડિઝાઇનને સક્ષમ કરવા અને સિસ્ટમ ડિઝાઇન માટે વિશાળ નવી તકો ખોલવા માટે એક મુખ્ય પગલું છે. એકીકરણ પદ્ધતિઓ સામાન્ય રીતે બે શ્રેણીઓમાં વિભાજિત થાય છે: મોનોલિથિક એકીકરણ અને મલ્ટી-ચિપ એકીકરણ.

મોનોલિથિક એકીકરણ
મોનોલિથિક એકીકરણમાં સમાન સબસ્ટ્રેટ પર ફોટોનિક અને ઇલેક્ટ્રોનિક ઘટકોનું ઉત્પાદન શામેલ છે, સામાન્ય રીતે સુસંગત સામગ્રી અને પ્રક્રિયાઓનો ઉપયોગ કરીને. આ અભિગમ એક જ ચિપમાં પ્રકાશ અને વીજળી વચ્ચે સીમલેસ ઇન્ટરફેસ બનાવવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે.
ફાયદા:
1. ઇન્ટરકનેક્શન નુકસાન ઘટાડવું: ફોટોન અને ઇલેક્ટ્રોનિક ઘટકોને નજીકમાં રાખવાથી ઓફ-ચિપ કનેક્શન સાથે સંકળાયેલ સિગ્નલ નુકસાન ઓછું થાય છે.
2, સુધારેલ કામગીરી: ટૂંકા સિગ્નલ પાથ અને ઓછી વિલંબતાને કારણે કડક એકીકરણ ઝડપી ડેટા ટ્રાન્સફર ગતિ તરફ દોરી શકે છે.
૩, નાનું કદ: મોનોલિથિક એકીકરણ ખૂબ જ કોમ્પેક્ટ ઉપકરણો માટે પરવાનગી આપે છે, જે ખાસ કરીને જગ્યા-મર્યાદિત એપ્લિકેશનો, જેમ કે ડેટા સેન્ટર્સ અથવા હેન્ડહેલ્ડ ઉપકરણો માટે ફાયદાકારક છે.
૪, વીજ વપરાશ ઘટાડો: અલગ પેકેજો અને લાંબા-અંતરના ઇન્ટરકનેક્ટ્સની જરૂરિયાતને દૂર કરો, જે વીજળીની જરૂરિયાતોને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડી શકે છે.
પડકાર:
૧) સામગ્રી સુસંગતતા: ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા ઇલેક્ટ્રોન અને ફોટોનિક કાર્યો બંનેને ટેકો આપતી સામગ્રી શોધવી પડકારજનક હોઈ શકે છે કારણ કે તેમને ઘણીવાર અલગ અલગ ગુણધર્મોની જરૂર હોય છે.
2, પ્રક્રિયા સુસંગતતા: કોઈપણ એક ઘટકના પ્રદર્શનને ઘટાડ્યા વિના એક જ સબસ્ટ્રેટ પર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ અને ફોટોનની વિવિધ ઉત્પાદન પ્રક્રિયાઓને એકીકૃત કરવી એ એક જટિલ કાર્ય છે.
૪, જટિલ ઉત્પાદન: ઇલેક્ટ્રોનિક અને ફોટોનોનિક માળખાં માટે જરૂરી ઉચ્ચ ચોકસાઇ ઉત્પાદનની જટિલતા અને ખર્ચમાં વધારો કરે છે.

મલ્ટી-ચિપ એકીકરણ
આ અભિગમ દરેક કાર્ય માટે સામગ્રી અને પ્રક્રિયાઓ પસંદ કરવામાં વધુ સુગમતા પ્રદાન કરે છે. આ એકીકરણમાં, ઇલેક્ટ્રોનિક અને ફોટોનિક ઘટકો વિવિધ પ્રક્રિયાઓમાંથી આવે છે અને પછી એકસાથે ભેગા થાય છે અને એક સામાન્ય પેકેજ અથવા સબસ્ટ્રેટ પર મૂકવામાં આવે છે (આકૃતિ 1). હવે ચાલો ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક ચિપ્સ વચ્ચેના બોન્ડિંગ મોડ્સની યાદી આપીએ. ડાયરેક્ટ બોન્ડિંગ: આ તકનીકમાં બે પ્લેનર સપાટીઓનો સીધો ભૌતિક સંપર્ક અને બોન્ડિંગ શામેલ છે, જે સામાન્ય રીતે મોલેક્યુલર બોન્ડિંગ ફોર્સ, ગરમી અને દબાણ દ્વારા સુવિધા આપવામાં આવે છે. તેમાં સરળતા અને સંભવિત રીતે ખૂબ ઓછા નુકસાન જોડાણોનો ફાયદો છે, પરંતુ તેને ચોક્કસ રીતે સંરેખિત અને સ્વચ્છ સપાટીઓની જરૂર છે. ફાઇબર/ગ્રેટિંગ કપ્લિંગ: આ યોજનામાં, ફાઇબર અથવા ફાઇબર એરે ફોટોનિક ચિપની ધાર અથવા સપાટી સાથે સંરેખિત અને બંધાયેલ છે, જેનાથી પ્રકાશને ચિપની અંદર અને બહાર જોડી શકાય છે. ગ્રેટિંગનો ઉપયોગ વર્ટિકલ કપ્લિંગ માટે પણ થઈ શકે છે, જે ફોટોનિક ચિપ અને બાહ્ય ફાઇબર વચ્ચે પ્રકાશના પ્રસારણની કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરે છે. થ્રુ-સિલિકોન છિદ્રો (TSVs) અને માઇક્રો-બમ્પ્સ: થ્રુ-સિલિકોન છિદ્રો સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ દ્વારા વર્ટિકલ ઇન્ટરકનેક્ટ છે, જે ચિપ્સને ત્રણ પરિમાણોમાં સ્ટેક કરવાની મંજૂરી આપે છે. સૂક્ષ્મ-બહિર્મુખ બિંદુઓ સાથે જોડીને, તેઓ સ્ટેક્ડ રૂપરેખાંકનોમાં ઇલેક્ટ્રોનિક અને ફોટોનિક ચિપ્સ વચ્ચે વિદ્યુત જોડાણો પ્રાપ્ત કરવામાં મદદ કરે છે, જે ઉચ્ચ-ઘનતા સંકલન માટે યોગ્ય છે. ઓપ્ટિકલ મધ્યસ્થી સ્તર: ઓપ્ટિકલ મધ્યસ્થી સ્તર એક અલગ સબસ્ટ્રેટ છે જેમાં ઓપ્ટિકલ વેવગાઇડ્સ હોય છે જે ચિપ્સ વચ્ચે ઓપ્ટિકલ સિગ્નલોને રૂટ કરવા માટે મધ્યસ્થી તરીકે સેવા આપે છે. તે ચોક્કસ ગોઠવણી અને વધારાના નિષ્ક્રિય માટે પરવાનગી આપે છે.ઓપ્ટિકલ ઘટકોકનેક્શન લવચીકતા વધારવા માટે સંકલિત કરી શકાય છે. હાઇબ્રિડ બોન્ડિંગ: આ અદ્યતન બોન્ડિંગ ટેકનોલોજી ચિપ્સ અને ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા ઓપ્ટિકલ ઇન્ટરફેસ વચ્ચે ઉચ્ચ-ઘનતાવાળા વિદ્યુત જોડાણો પ્રાપ્ત કરવા માટે ડાયરેક્ટ બોન્ડિંગ અને માઇક્રો-બમ્પ ટેકનોલોજીને જોડે છે. તે ખાસ કરીને ઉચ્ચ-પ્રદર્શન ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક કો-ઇન્ટિગ્રેશન માટે આશાસ્પદ છે. સોલ્ડર બમ્પ બોન્ડિંગ: ફ્લિપ ચિપ બોન્ડિંગની જેમ, સોલ્ડર બમ્પનો ઉપયોગ ઇલેક્ટ્રિકલ કનેક્શન બનાવવા માટે થાય છે. જો કે, ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક એકીકરણના સંદર્ભમાં, થર્મલ તણાવને કારણે ફોટોનિક ઘટકોને થતા નુકસાનને ટાળવા અને ઓપ્ટિકલ ગોઠવણી જાળવવા પર ખાસ ધ્યાન આપવું જોઈએ.

આકૃતિ 1: : ઇલેક્ટ્રોન/ફોટોન ચિપ-ટુ-ચિપ બોન્ડિંગ સ્કીમ

આ અભિગમોના ફાયદા નોંધપાત્ર છે: જેમ જેમ CMOS વિશ્વ મૂરના કાયદામાં સુધારાઓનું પાલન કરવાનું ચાલુ રાખે છે, તેમ તેમ CMOS અથવા Bi-CMOS ની દરેક પેઢીને સસ્તા સિલિકોન ફોટોનિક ચિપ પર ઝડપથી અનુકૂલિત કરવાનું શક્ય બનશે, જે ફોટોનિક્સ અને ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં શ્રેષ્ઠ પ્રક્રિયાઓના ફાયદા મેળવશે. કારણ કે ફોટોનિક્સને સામાન્ય રીતે ખૂબ નાના માળખાના નિર્માણની જરૂર હોતી નથી (લગભગ 100 નેનોમીટરના કી કદ લાક્ષણિક હોય છે) અને ઉપકરણો ટ્રાન્ઝિસ્ટરની તુલનામાં મોટા હોય છે, આર્થિક વિચારણાઓ ફોટોનિક ઉપકરણોને એક અલગ પ્રક્રિયામાં ઉત્પાદિત કરવા દબાણ કરશે, જે અંતિમ ઉત્પાદન માટે જરૂરી કોઈપણ અદ્યતન ઇલેક્ટ્રોનિક્સથી અલગ હશે.
ફાયદા:
૧, સુગમતા: ઇલેક્ટ્રોનિક અને ફોટોનિક ઘટકોનું શ્રેષ્ઠ પ્રદર્શન પ્રાપ્ત કરવા માટે વિવિધ સામગ્રી અને પ્રક્રિયાઓનો સ્વતંત્ર રીતે ઉપયોગ કરી શકાય છે.
2, પ્રક્રિયા પરિપક્વતા: દરેક ઘટક માટે પરિપક્વ ઉત્પાદન પ્રક્રિયાઓનો ઉપયોગ ઉત્પાદનને સરળ બનાવી શકે છે અને ખર્ચ ઘટાડી શકે છે.
૩, સરળ અપગ્રેડ અને જાળવણી: ઘટકોનું વિભાજન સમગ્ર સિસ્ટમને અસર કર્યા વિના વ્યક્તિગત ઘટકોને વધુ સરળતાથી બદલવા અથવા અપગ્રેડ કરવાની મંજૂરી આપે છે.
પડકાર:
૧, ઇન્ટરકનેક્શન નુકશાન: ઓફ-ચિપ કનેક્શન વધારાના સિગ્નલ નુકશાનનો પરિચય આપે છે અને તેને જટિલ ગોઠવણી પ્રક્રિયાઓની જરૂર પડી શકે છે.
2, વધેલી જટિલતા અને કદ: વ્યક્તિગત ઘટકોને વધારાના પેકેજિંગ અને ઇન્ટરકનેક્શનની જરૂર પડે છે, જેના પરિણામે મોટા કદ અને સંભવિત રીતે ઊંચા ખર્ચ થાય છે.
૩, વધુ વીજ વપરાશ: લાંબા સિગ્નલ પાથ અને વધારાના પેકેજિંગ મોનોલિથિક ઇન્ટિગ્રેશનની તુલનામાં પાવર જરૂરિયાતોમાં વધારો કરી શકે છે.
નિષ્કર્ષ:
મોનોલિથિક અને મલ્ટી-ચિપ ઇન્ટિગ્રેશન વચ્ચે પસંદગી એપ્લિકેશન-વિશિષ્ટ આવશ્યકતાઓ પર આધાર રાખે છે, જેમાં પ્રદર્શન લક્ષ્યો, કદ મર્યાદાઓ, ખર્ચ વિચારણાઓ અને ટેકનોલોજી પરિપક્વતાનો સમાવેશ થાય છે. ઉત્પાદન જટિલતા હોવા છતાં, મોનોલિથિક ઇન્ટિગ્રેશન એ એપ્લિકેશનો માટે ફાયદાકારક છે જેને અત્યંત લઘુચિત્રીકરણ, ઓછી વીજ વપરાશ અને હાઇ-સ્પીડ ડેટા ટ્રાન્સમિશનની જરૂર હોય છે. તેના બદલે, મલ્ટી-ચિપ ઇન્ટિગ્રેશન વધુ ડિઝાઇન લવચીકતા પ્રદાન કરે છે અને હાલની ઉત્પાદન ક્ષમતાઓનો ઉપયોગ કરે છે, જે તેને એવા એપ્લિકેશનો માટે યોગ્ય બનાવે છે જ્યાં આ પરિબળો કડક એકીકરણના ફાયદાઓ કરતાં વધુ હોય છે. જેમ જેમ સંશોધન આગળ વધે છે, તેમ તેમ બંને વ્યૂહરચનાના ઘટકોને જોડતા હાઇબ્રિડ અભિગમોનો પણ અભ્યાસ કરવામાં આવી રહ્યો છે જે દરેક અભિગમ સાથે સંકળાયેલા પડકારોને ઘટાડીને સિસ્ટમ પ્રદર્શનને શ્રેષ્ઠ બનાવવા માટે પણ શોધખોળ કરી રહ્યા છે.