روشی مقرون به صرفه برای بسته‌بندی همزمان تراشه‌های فوتونی و الکترونیکی
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، آینده محاسبات و ارتباطات دیجیتال شامل الکترونیک - دستکاری داده‌ها با برق - و فوتونیک یا انجام همین کار با نور خواهد بود. این دو با هم می‌توانند ترافیک داده بیشتری را در سراسر جهان در فرآیندی که از نظر انرژی نیز کارآمدتر است، به صورت تصاعدی فراهم کنند.
لیونل کیمرلینگ، استاد علوم و مهندسی مواد توماس لرد در دانشگاه MIT و مدیر مرکز میکروفوتونیک MIT، می‌گوید: «نکته اصلی این است که ادغام فوتونیک با الکترونیک در یک بسته، ترانزیستور قرن بیست و یکم است. اگر نتوانیم بفهمیم چگونه این کار را انجام دهیم، نمی‌توانیم پیشرفت کنیم.
FUTUR-IC، یک تیم تحقیقاتی جدید مستقر در MIT، وارد این عرصه می‌شود. آنو آگاروال، رئیس FUTUR-IC و دانشمند ارشد تحقیقاتی در آزمایشگاه تحقیقات مواد (MRL)، می‌گوید: «هدف ما ایجاد یک زنجیره ارزش در صنعت میکروچیپ است که از نظر منابع کارآمد باشد.»
اکنون، محققان FUTUR-IC از جمله آگاروال و کیمرلینگ روش جدیدی برای بسته‌بندی همزمان تراشه‌های فوتونی با همتایان الکترونیکی آنها توسعه داده‌اند که چندین مشکل مرتبط با فرآیند بسته‌بندی همزمان فعلی را حل می‌کند. یکی از مزایای این است که دستگاه بسته‌بندی همزمان تازه توسعه‌یافته را می‌توان با استفاده از تجهیزات موجود در کارخانه‌های ریخته‌گری الکترونیک سنتی با فرآیند هم‌ترازی غیرفعال ارزان‌تر تولید کرد. در نتیجه، راه‌حل MIT نویدبخش مقرون‌به‌صرفه بودن است.
مقاله‌ای در مورد این دستگاه که ثبت اختراع شده است، اوایل امسال روی جلد مجله Advanced Engineering Materials منتشر شد. پاییز گذشته، مقاله دیگری در مورد این کار توسط نویسنده اصلی، درو ونینگر، در پنجاه و هفتمین سمپوزیوم بین‌المللی میکروالکترونیک ارائه شد. ونینگر، دانشجوی کارشناسی ارشد در گروه علوم و مهندسی مواد (DMSE)، جایزه بهترین مقاله دانشجویی را در این رویداد از آن خود کرد.
علاوه بر ونینگر، کیمرلینگ و آگاروال، نویسندگان این مقاله ساموئل سرنا از دانشگاه ایالتی بریج‌واتر و لوئیجی رانو، دانشجوی فارغ‌التحصیل DMSE، هستند.
به سوی یک صنعت میکروچیپ با بهره‌وری منابع
موارد زیر را در نظر بگیرید: طبق گفته کیمرلینگ، در سال ۲۰۲۰، تعداد تلفن‌های همراه، واحد‌های GPS و سایر دستگاه‌های متصل به «ابر» یا مراکز داده بزرگ، از ۵۰ میلیارد فراتر خواهد رفت؛ و ترافیک مراکز داده، به نوبه خود، هر ۱۰ سال ۱۰۰۰ برابر می‌شود.
این ارتباط انرژی مصرف می‌کند؛ و «همه اینها باید با هزینه ثابت انرژی اتفاق بیفتد، زیرا تولید ناخالص داخلی با آن سرعت تغییر نمی‌کند.» این را کیمرلینگ، که به MRL نیز وابسته است، می‌گوید. راه حل این است که یا انرژی بیشتری تولید کنیم یا فناوری اطلاعات را از نظر انرژی کارآمدتر کنیم.
ادغام فوتونیک با الکترونیک که زیربنای میکروچیپ‌های امروزی است، می‌تواند به مورد دوم بپردازد، زیرا انتقال یا ارتباط داده‌ها با استفاده از نور از نظر انرژی بسیار کارآمدتر است. آگاروال می‌گوید: «سخن ما این است که از الکترونیک برای محاسبات و فوتونیک برای ارتباطات استفاده کنیم تا این بحران انرژی را تحت کنترل درآوریم.»
با این حال، این راه حل با چالش‌های خاص خود همراه است.
برای مثال، در حال حاضر اتصال تراشه‌های الکترونیکی به همتایان فوتونی آنها در یک بسته واحد دشوار و پرهزینه است. دلیل این امر آن است که فیبر نوری که قطر هسته آن ده میکرومتر (ده میلیونیم متر) است و تراشه فوتونی که ابعاد مقطع آن تنها دو دهم در پنج دهم میکرومتر است، باید تقریباً به طور کامل تراز شوند، در غیر این صورت نور پراکنده می‌شود. در نتیجه، امروزه هر اتصال باید به طور فعال با لیزر آزمایش شود تا از عبور نور اطمینان حاصل شود.
ونینگر گفت: «و تعداد فیبر‌هایی که برای ارتباطات داده‌ای بیشتر نیاز خواهیم داشت، به صورت تصاعدی در حال افزایش است، بنابراین این فرآیند هم‌ترازی فعال، برای مقیاس‌بندی رو به جلو کافی نیست.»
این دستگاه جدید که کوپلر ناپایدار نامیده می‌شود، فضای بیشتری برای اتصال فیبر‌ها در بسته الکترونیکی-فوتونیکی فراهم می‌کند. آگاروال می‌گوید: «کوپلر‌های معمولی یک نقطه کوپلینگ واحد دارند که تلرانس‌های هم‌ترازی را بسیار محدود می‌کند. اما کوپلر جدید ما طول برهمکنش بسیار بزرگتری دارد که تلرانس هم‌ترازی را افزایش می‌دهد.» در نتیجه، ربات‌ها می‌توانند مدار‌های مجتمع حاصل را به صورت غیرفعال مونتاژ کنند و اجازه دهند نور بیشتری بدون از دست دادن از آنها عبور کند (نیازی به هم‌ترازی فعال لیزر نیست).
یکی دیگر از نوآوری‌های کلیدی: رانو می‌گوید این کوپلر «به ما اجازه می‌دهد نور را به صورت عمودی» بین لایه‌های متعدد تراشه‌هایی که کل را تشکیل می‌دهند، منتقل کنیم. این به خودی خود یک شاهکار مهم است، زیرا هدایت نور از یک صفحه افقی دشوار است.
ونینگر می‌گوید: «در الکترونیک این موضوع بسیار ساده است. الکترون‌ها می‌توانند به راحتی از صفحه خارج شوند. در مقابل، «نور هرگز نمی‌خواهد زاویه قائمه بگیرد.» این کوپلر جدید به نور اجازه می‌دهد تا بین تراشه‌های روی هم چیده شده، پرش کند.
رانو در پایان می‌گوید: «ما یک طراحی بسته‌بندی [برای ادغام فوتونیک با الکترونیک]توسعه داده‌ایم که قابل اعتماد است، تلورانس هم‌ترازی بیشتری دارد، نور زیادی از دست نمی‌دهد و فضای زیادی را هدر نمی‌دهد. اساساً، این طرح تمام ویژگی‌های مورد نیاز برای یک اتصال داخلی کارآمد و کاربردی را دارد.»
این کار تا حدودی با استفاده از امکانات MIT.nano انجام شده است و شامل مشارکت‌هایی از کنسرسیوم بسته‌بندی الکترونیکی-فوتونی MIT نیز می‌شود.