Sun’iy intellektning yirik modellarini-keng miqyosda qo‘llash va yuqori unumdorlikdagi hisob-kitoblarning davom etishi bilan an’anaviy mis o‘zaro ulanishlar jiddiy “aloqa muammolari” va “quvvat devorlari”ga duch kelmoqda. Birgalikda qadoqlangan optikaning (CPO) mohiyati ASIC kalitini, silikon fotonik chiplarni, lazerlarni va tolali massivlarni bitta qadoqlash substratiga qaytarishdir. Elektr signallarini uzatish masofasi "santimetr shkalasi" dan "millimetr shkalasi" ga keskin qisqartiriladi, bu esa elektr o'zaro bog'lanish uzunligini sezilarli darajada qisqartiradi va quvvat sarfini 30% -50% ga qisqartiradi, bu esa ushbu to'siqlardan o'tishning muhim yo'liga aylanadi.
Shubhasiz, optik dvigatellar kalitning old paneliga "ulangan" emas, balki hisoblash chiplari bilan "birgalikda" bo'lganda, tizim ancha murakkablashadi va material tanlash CPO ommaviy ishlab chiqarishga erisha olishida hal qiluvchi omil bo'ladi. Materialni qayta konfiguratsiya qilishning ushbu bosqichida kremniy nitridi (Si₃N₄) maxsus o'yinchi sifatida ajralib turadi-u CPOda ikkita bir-biridan farq qiladigan, ammo muhim rol o'ynaydi: biri kremniy nitridili keramik substrat sifatida, fizik tashuvchi va CPO tarqatish qurilmalari-bo'lib xizmat qiladi; ikkinchisi, silikon nitridi optik to'lqin o'tkazgich sifatida, fotonik chip ichidagi optik signal uzatish kanali bo'lib xizmat qiladi.
Silikon nitridli keramik substrat: CPO qadoqlash uchun afzal qilingan tashuvchi
Yuqorida aytib o'tilganidek, CPO ning yuqori{0}}zichlikdagi o'rnatilgan qadoqlarida optik dvigatellar va kalit chiplari juda kichik bo'shliqda mahkam birlashtirilgan. Tizim integratsiyasi yuqori, optoelektron ulanish yo'llari qisqaroq va quvvat sarfi kamroq-hammasi yaxshi. Biroq, bir vaqtning o'zida ishlaydigan va bir vaqtning o'zida ishlaydigan juda ko'p quvvatli-qurilmalar katta miqdorda issiqlik to'planadi. Adabiyot ma'lumotlari shuni ko'rsatadiki, elektron qurilmalar uchun haroratning har 10 daraja ko'tarilishi odatda qurilmaning samarali ishlash muddatini 30% -50% ga qisqartiradi. Agar bu issiqlikni o'z vaqtida tarqatib bo'lmasa, u ulanish haroratining tez ko'tarilishiga olib keladi, bu esa ishlashning pasayishiga yoki hatto ishlamay qolishiga olib keladi.
Qadoqlash substrati issiqlikni tarqatuvchi-birlamchi komponent hisoblanadi. An'anaviy materiallar orasida organik substratlar (masalan, FR-4) past issiqlik o'tkazuvchanligiga va yomon CTE mosligiga ega, CPO ning yuqori quvvat sarfi talablariga javob bermaydi. Seramika substratlar, ayniqsa, silikon nitridli keramik substratlar, ularning yuqori quvvati, yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi va CTE mosligi tufayli CPO qadoqlash uchun asosiy substrat materialiga aylandi.
Silikon nitridi "yaxshi-yaxlitlangan" bo'lib g'alaba qozonadi.
Birinchidan, uning issiqlik o'tkazuvchanligi juda yaxshi. Tadqiqotning dastlabki bosqichlarida xona{1}}Si₃N₄ haroratining issiqlik o'tkazuvchanligi 20–70 Vt/(m·K) bo'lib, AlN va SiC dan ancha past edi, shuning uchun uning issiqlik ko'rsatkichlari ko'p e'tiborni tortmadi. 1995 yilda bu tushuncha o'zgardi. Olim Xaggerti klassik qattiq{7}}holatlarni tashish nazariyasi orqali Si₃N₄ ning past issiqlik o‘tkazuvchanligi asosan panjara nuqsonlari va aralashmalar bilan bog‘liqligini hisoblab chiqdi va uning nazariy maksimali 320 Vt/(m·K) ga yetishi mumkinligini taxmin qildi. Tadqiqot va sanoat sohasidagi birgalikdagi sa'y-harakatlar tufayli silikon nitridili keramikaning issiqlik o'tkazuvchanligi hozirda 177 Vt / (m · K) dan oshdi. Issiqlik o‘tkazuvchanligi 1 Vt/(m·K) dan past bo‘lgan an’anaviy qatronli substratlar bilan solishtirganda, bu o‘yinni o‘zgartiruvchi-.
Ikkinchidan, kremniy nitridining past issiqlik kengayish koeffitsienti (CTE) bor-yo'g'i 3,2×10⁻⁶/darajani tashkil etadi, bu Al₂O₃ ning taxminan uchdan bir-dir. CPO paketlarida bir nechta materiallar-kremniy chiplari, III-V aralash yarimo'tkazgich chiplari (masalan, InP lazerlari)-har birida turli xil CTE mavjud. Mahalliy issiqlik ko'tarilganda, CTE moslashuvi to'g'ridan-to'g'ri termal tsikl ostida lehim birikmasining ishlash muddatini aniqlaydi. Silikon nitridining CTE darajasi kremniyga asoslangan{9}}materiallarga juda yaqin, shuning uchun uni substrat sifatida ishlatish termal sikllar davomida turli materiallar orasidagi deformatsiyaning mos kelmasligini sezilarli darajada engillashtiradi.
Uchinchidan, kremniy nitridining mexanik xususiyatlari ajoyibdir. Uning elastik moduli 320 GPa, egilish kuchi esa 920 MPa. Bunday yuqori mexanik ko'rsatkichlar substratni yupqaroq qilish{4}}kremniy nitridini 0,32 mm yoki hatto 0,25 mm ga qisqartirish mumkinligini anglatadi, alyuminiy nitridi esa mo'rtligi tufayli 0,62 mm da saqlanishi kerak. Yupqaroq substrat issiqlik o'tkazuvchanligi bo'shlig'ini yopadi: AlN Si₃N₄ ga qaraganda yuqori issiqlik o'tkazuvchanligiga ega bo'lsa-da, ultra yupqa kremniy nitridining umumiy issiqlik qarshiligi asosan qalinroq AlN niki bilan tengdir. Bundan tashqari, silikon nitridi umumiy qattiqlikka ega bo'lib, sanoat partiyasini ishlab chiqarishda qirralarning parchalanishi va sinishini kamaytiradi va shu bilan ishlab chiqarish rentabelligini oshiradi.
Narxlari nuqtai nazaridan, silikon nitridi aluminadan ancha qimmat, ammo alyuminiy nitridining narxi atigi 60% ni tashkil qiladi. Bir bosqichli birgalikda sinterlash orqali hosil qilingan TFC (ingichka-film keramika) integratsiyalashgan modullari bilan birgalikda ishlab chiqarishning umumiy xarajatlari sezilarli darajada kamayishi mumkin.
Shu sababli, sanoat xodimlarining ta'kidlashicha, butun optik aloqa sanoati zanjirida va CPO integratsiyalangan qadoqlash joyida silikon nitridi kelajakdagi texnologiya tendentsiyalariga eng mos keladigan asosiy substrat materiali bo'lib, umumiy yaroqliligi alyuminiy nitrididan ancha yuqori.
Silikon nitridli optik to‘lqin o‘tkazgich-CPOning "Optik signalli supermagistrali"
Qadoqlash substrati sifatidagi makroskopik rolidan farqli o'laroq, kremniy nitridining CPOdagi boshqa asosiy roli fotonik chip ichidagi optik to'lqin uzatuvchi material bo'lib, optik signalni uzatish, marshrutlash, ajratish, birlashtirish va boshqa asosiy funktsiyalar uchun javobgardir.
Ushbu dastur CPOdagi kremniy nitridining eng muhim optik qiymatini ifodalaydi. U asosan chiplarda optik toʻlqin oʻtkazgichlar, mikroring rezonatorlar, optik chastota taroqlari, toʻlqin uzunligi-boʻlinuvchi multipleksorlar, polarizatsiya nurlarini ajratgichlar, panjarali ulagichlar va boshqa barcha passiv optik qurilmalarni ishlab chiqarish uchun ishlatiladi, bu esa CPO optik dvigateli ichida toʻliq optik tarmoqni tashkil qiladi, signallarni tarqatish, uzatish, multipleks filtrlash/mullex. U koʻpincha gibrid{4}}InP faol chiplari bilan integratsiyalangan va NVIDIA ning keyingi-avlod 3.2T CPO optik modullari uchun standart texnologiya yoʻl xaritasiga aylandi.
Nima uchun kremniy o'rniga kremniy nitridi? Silikon nitridi taxminan 1,98 sinishi indeksiga ega bo'lib, Si to'lqin o'tkazgichlari (≈3,4) va silika qoplamasi (≈1,44) o'rtasida optik maydon chegarasini ta'minlaydi, bu esa uni yuqori kontrastli va kichik kesmalarga ega chekka bog'lovchilarni loyihalash uchun eng istiqbolli materiallardan biriga aylantiradi. Bundan ham muhimi, CPO yuqori{5}}kuchli stsenariylarida kremniy toʻlqin uzatgichlari ikki-foton yutilishidan aziyat chekadi va yonib ketishi mumkin, holbuki kremniy nitridi keng diapazonga ega va bu muammodan aziyat chekmaydi, bu esa yuqori-kuchli optik signallarni uzatish uchun ideal tanlovdir.
Bundan tashqari, silikon nitridi optik to'lqin qo'llanma jarayonining mosligi heterojen integratsiya imkoniyatlarini ochadi. Kremniy nitridi yupqa{1}}plyonka cho'ktirish jarayonlari (LPCVD/PECVD/magnetronli purkash) etuk va CMOS-mos keladi. 400 darajadan past boʻlgan texnologik haroratlarda past haroratli PECVD yotqizish-fotonikasi yordamida old{6}}oxirgi CMOS chiplari yoki III{7}}V faol chiplariga zarar yetkazmaydi, toʻgʻridan-toʻgʻri gofretlarga monolitik integratsiyaga imkon beradi, TSMC COUPE kremniy{{8}PO platformasi fototexnikasiga juda mos keladi.
Xulosa qilib aytganda, CPO dagi kremniy nitridi optik to‘lqin o‘tkazgichlari -chipdagi optik uzatish "supermagistral" va tolali optik ulanish-to- uchun "ko‘prik" rolini o‘ynaydi, bu ularni yuqori unumdorlikka ega fotonik integratsiyalangan sxemalarni yaratish uchun asosiy funktsional materialga aylantiradi.
Texnologiya va sanoatlashtirishning hozirgi holati
Silikon nitridli substratlar:
CETC (China Electronics Technology Group Corporation) o'zining CPO seramika substratlari so'nggi Ar-ge sprint bosqichida ekanligini va uch yil ichida ommaviy ishlab chiqarishga yetishi kutilayotganligini aniq ta'kidladi. Fude Technology kompaniyasining TFC yupqa{1}}plyonkali keramika substrat mahsulotlari, yuqori sirt tekisligi va chiplar bilan mos keladigan CTE bilan "CPO qadoqlash uchun ideal tashuvchi platformalardan biri" sifatida joylashtirilgan. Sinocera Materials o'zining investorlar bilan aloqalarida uning sho''ba korxonasi Sinocera Saichuang optik modullar uchun keramik substratlar uchun texnik zaxiralarga ega ekanligini qayd etadi.
Silikon nitridi optik to'lqin o'tkazgichlari:
Xorijda Solindes Photonics CPO uchun moslashtirilgan kremniy nitridi mikro{0}}taroqli yorug‘lik manbasini ishga tushirdi, bitta qurilma 28 to‘lqin uzunligi kanalini chiqarishga qodir va optik konversiya samaradorligi 60% ni tashkil qiladi. ISSCC 2026 ko'rgazmasida TSMC kremniy nitridi to'lqin o'tkazgichlarini standart passiv optik to'lqin o'tkazgich yechimi sifatida qabul qilib, kremniy{5}}fotonik CPO platformasini taqdim etdi. Mahalliy fotonik quyish zavodlari allaqachon passiv silikon nitridi fotonikasi uchun PDK ishlab chiqishni yakunladi va asta-sekin 800G va 1.6T CPO tekshiruvi uchun namunalarni joriy qilmoqda.