تطور مقتطفات السيليكون للمستقبل البصري القادم

وقد انتقلت الصور الضوئية للسيليكون من الفضول المختبري إلى منصة قابلة للتطبيق تجارياً تقوم على أساس وصلات بصرية عالية السرعة حديثة، ومن خلال الاستفادة من البنية التحتية المكملة للصناعة من أكسيد الفلزات وسادس النسيج، وتسمح الصور الملتقطة بالتحول الأحادي أو الهجينة للمكونات البصرية - مثل أجهزة الوصل الضوئية، وأجهزة التفريغ الضوئي، وأجهزة التوحيد الضوئية الحديثة.

ويحول المتلقين البديلون إشارات خفيفة واردة إلى تيارات كهربائية، ويتوقف أداؤهم على ثلاثة مقاييس: الاستجابة (الحساسية)، وزوارع النطاق (السرعة)، وحاليات الظلام (الملاحظة)، وتقدّم أجهزة استقبال شبه موصلة تقليدية (مثلاً، إنغا إي) أداء ممتازاً، لكنها مكلفة ومن الصعب دمجها في عناوين الارتفاع الإلكتروني المصاحبة.

المنجزات في تصميم محركات الفوتوليت العالية السرعة

وأجهزة التصوير هي قلب أي جهاز استقبال بصري، وقد دفع الطلب على معدلات بيانات أعلى (100 غمبر لكل الممر وما بعده) الباحثين إلى إعادة التفكير في قياسات الهندسة واختيار المواد.

المانيا على السيليكون

والألمانية )غي( هي أكثر المواد المعتمدة على نطاق واسع لأجهزة التصوير الضوئي في الصور الصخرية لأنها تستوعب الضوء في النطاق الترددي ١-٣-١,٦ ميكروم المستخدم في الاتصالات السلكية واللاسلكية وأجهزة جمع البيانات، وقد عانت أجهزة الكشف المبكر عن الكثافة الشمسية من ارتفاع التيار المظلم بسبب سوء استخدام السليكون، وتقلصت أوجه التقدم في النمو الوبائي - مثل النمو الانتقائي في المناطق

والأهم من ذلك أن أجهزة التصوير الحديثة التي تعمل باللوحة الجيولوجية المتحركة تبلغ 3 من الـ (B) ستين إلى 110 GHz عن طريق زيادة سمك المنطقة المتأصلة وربط الموجات إلى الحد الأمثل، وهذه الأجهزة صغيرة بما فيه الكفاية (المساحة النشطة: 10 إلى 50 ميكروغرام2) التي توضع مباشرة على قمة موجات السيليكون، مما يزيل الحاجة إلى الانقلابات الخارجية.

Key reference:] A 2023 demonstration by researchers at IMEC reported a Ge photodetector with 120 GHz bandwidth and a responsivity of 0.9 A/W at 1550 nm, paving the way for 224 Gbps per lane applications (IMEC, 2023)[FLT:]

محررات مواد كيميائية

وفي حين أن الغرمانيوم يهيمن عليه، فإن المواد ذات الأبعاد (2D) مثل الدهكجين والتحولات المعدنية مثل موسى 2 و WSe2 تظهر كمرشحين لأجهزة التصوير الضوئي الصغيرة والأكثر كفاءة، وهذه المواد ذات النفوذ الذري توفر تفاعلاً قوياً في مجال الارتداد الضوئي، وتنقلاً عالياً في الناقلات، وقدرة على استيعاب الصور الفوتوغرافية بنسبة 3 في المائة عن طريق التغيثيث الحراري.

وقد أظهر العمل الأخير وجود محركات تصويرية من نوع " إشعاعي " ، مع وجود عرض لزوارق تتجاوز 50 جيهرتز، وتعزيز الاستجابة إلى " 0.5 ألف/واو " من خلال تكامل الموجات الموجية (الصور الفوتونية الدنيا، 2022) .

Avalanche Photodiodes (APDs) in Silicon Photonics

(ب) بالنسبة للطلبات التي تتطلب حساسية من الفوتونيات، مثل التكوين البصري للزمن والتوزيع الكمي، فإن الـ (Silicon photonic APD) تكتسب الاهتمام، وهي مادة ممتازة للتصميمات ذات النطاق الترددي (Gilid) في شكل مرئي وشبه ميكرومتر، ولكنها لا تستوعب في الظواهر الموجية (1.3/1.55 ميكروغرام).

دمج محركات الفوتود مع دوائر سيليكون فيتونيك

ونقل محرر صور من عنصر مستقل إلى عنصر متكامل في الشقة هو المكان الذي يحدث فيه الدفع الحقيقي للتقليل إلى أدنى حد، والهدف هو إنشاء جهاز استقبال كامل من مدخل يمسك بزوجين إلى مضخة للشحن العابر على رقاقة واحدة.

Monolithic vs. Hybrid Integration

وينمو التكامل الاحتكاري جميع العناصر النشطة (الأجهزة الاستطلاعية والكشف والناقلات) مباشرة على الرصيف الفرعي، وهذا يعني بالنسبة للمتلقين أن جهاز التصوير الضوئي يتكون في نفس التدفق الذي تتدفقه دائرة المراقبة الإلكترونية، بينما يقلل هذا النهج من الأسرى الطفيلية وعبوات التبسيط، فإنه يتطلب إدارة البرمجيات الضوئية العالمية لتفادي الإضرار.

Hybrid integration, by contrast, attaches III-V or other detector dies onto the silicon photonicرق using micro-transfer printing or prop-chip bonding. This allows the use of optimized detector materials (e.g., InGaAs APDs) while still benefiting from silicon waveguides. Micro-transfer printing, in particular, has emerged as a scaln alignment thousands

Edge vs. Surface Coupling

ويعتمد متلقي الاتفاق على الانقلاب الفعال للضوء من ألياف خارجية إلى موجة التشويش، حيث يتوافق الألياف مع وجه مُهذب للرقاقة، ويقدم فقداناً منخفضاً للإضافة (< 2 dB) and wide bandwidth. Surface coupling via grating couplers allows wafer-level testing and is more tolerant to misalignment, but typically has higher polarization sensitivity. Recent innovations include apodized grating couplers with polarization diversity that achieve coupling losses below 1 dB over 100 nm bandwidth ) (تقارير علمية، 2023) وكثيراً ما يدمج هؤلاء الأزواج مع محولات ذات حجم واضح ليطابقوا الميول.

هياكل وقودية مبتكرة ومكونات جهازية

بالإضافة إلى مُنتج الصور نفسه، فإن الموجة التي تُوصل الضوء إلى المُستشفِر يمكن تصميمها لتعزيز الأداء وتقلص البصمات.

Subwavelength Gratings and Slot Waveguides

- إن هياكل الفريق العامل المعني بالتنوع البيولوجي، التي تتألف من أجزاء دورية أصغر من الموجة الضوئية، تعرض التشت المصممة خصيصاً وتخفض الخسائر في التكاثر، وعندما تستخدم في الأزواج التوجيهيين، يمكن أن تضغط على الطريقة البصرية في أحجام صغيرة للغاية، مما يتيح للملتقطين الصوريين الذين لديهم مناطق نشطة من مجهرات مربعة قليلة.

كشف بلاستيكي - محسن

Integrating plasmonic nano structures with photodetectors can concentrate light far below the diffraction limit, boosting absorption in nanometer-scale detector. Researchers have demonstrated a silicon-intditector using a metal-semiconductor-metal (MSM) structure with a responsivity of 0.6 A/W and bandwiz

المواد الخارجة عن السيليكون والألمانية

ولدفع حدود الأداء، يقوم الباحثون باستكشاف مجموعة واسعة من المواد التي يمكن إضافتها إلى منصة السيليكون الضوئية.

ثين - فيلم ليثيوم نوبيت (LNOI)

(ب) تقدم نوبة الليثيوم على جهاز الاستنشاق (LNOI) تأثيرات قوية على الكهرباء (الآلات) وفقدان بصري منخفض، حيث يمكن للتصميمات أن تُنشئ، في المستقبل، جهازاً للكشف عن الاختراق (GNOB)، يُستخدم فيه جهازاً للكشف عن الاختراق (GNOBI) ويُشير إلى وجود وصلات مُثلة في المستقبل.

2D Hetero structures and Perovskites

ويمكن لأسرة شاحنات الشاحنات المحتوية على عجلات من طراز 2D، أن تكون هياكل التحلل التحلل التضاريسية دون قيود متطابقة مع البطاقات، ويمكن أن تعمل مجموعة من الصواريخ (MS2/graphene stack) كمنتجة ذات ربح كبير (104 A/W) ورد على النطاق الترددي الواسع، غير أن نطاق الترددات يقتصر على بضعة مئات من الرؤوس المرئية بسبب بطء في الولايات.

دائرة الاستقبال وتعبئة مشتركة

A compact receiver is not just about the photodetector - the transimpedance amplifier (TIA) and clock-data recovery (CDR) must also be miniaturized. Silicon photonic receiverches often integrate a Ge photodiode together with a CMOS TIA using a standard 28 nm or 45 nm process. The TIA’s design must balance m gain, bandwidth innovation, and noiseduct

(ب) التصورات ذات الحزمة الواحدة (CPO) اتجاه رئيسي آخر: بدلاً من نقل المرسلات البصرية إلى جهاز تبديل، يوضع المحرك البصري على نفس الدرجة من التبدل (ASIC) ويزيل آثار الكهرباء الطويلة ويخفض استهلاك الطاقة، ويتيح زيادة كثافة الترددات الترددية.

التحديات والنظر في الموثوقية

ورغم التقدم السريع، لا تزال هناك عقبات عديدة قبل أن يصبح جهاز استقبال الصور الفوتوغرافية التابع للشركة مستعملاً في أجهزة المستهلكين.

  • Dark current and noise:] Ge photodiodes still exhibit higher dark current than III-V alternatives, especially at elevated temperatures. This limits sensitivity for long-reach links. Defect passivation techniques (e.g. hydrogen annealing, Si cap layers) are being refined.
  • Process complexity:] Monolithic integration adds mask layer layers and thermal steps that can affect transistor performance. Foundries must balance optical performance with parametric yield of CMOS electronics.
  • Polarization and temperature sensitivity:] Silicon waveguide devices are highly birefringent and thermo-optic (Don/duT); 1.8 x10−4 K−1). Temperature control using micro-heaters or athermal design (e.g., add a polymer cladding with negative thermo addtic coefficient).
  • Reliability:] Long-term stability of Ge-on-Si detectors under continuous high-power illumination is still being characterized. Progress in hermeticpackaging and stress-reducing buffer layers is promising but not yet fully proven according to Telcordia standards.

ألف - التطبيقات الدافعة للابتكارات

وتغذي عدة أسواق رئيسية دفعة أجهزة استقبال بصرية أصغر حجما وأسرع وأرخص.

مركز البيانات

وتحتاج مراكز البيانات على نطاق واسع إلى 800 جي و1.6 تي وحدات ذات قدرة منخفضة (< 5 pJ/bit). Compact silicon photonic receivers with co-packaged optics reduce the module footprint from a pluggable form factor (e.g., QSFP-DD) to an on-board chiplet, allowing > 100 تيبس لكل جهاز من أجهزة التبديل.

5G/6G Fronthaul

وتتزايد استخدام محطات القاعدة اللاسلكية لوصلات التناظر أو الأشعة فوق البنفسجية الرقمية (الأشعة فوق البنفسجية) وتحتاج أجهزة استقبال صغيرة ومزدحمة يمكن أن تعمل بشكل موثوق في درجات الحرارة الخارجية (40-+85 درجة مئوية) وتتيح صور السيليكون إمكانية دمج جهاز الاستلام مع جهاز تحويلات التناظر إلى الأرقام على نفس الشريحة.

Lidar and Sensing

ويستفيد من صفائف أجهزة استقبال مدمجة تتيح صوراً للسيليكون، ويعتمد نظام الكشف المتسق على أجهزة تصوير ذات ترددات ضوئية عالية التردد، ويقلل إدماج مجموعة من 32 أو 64 متلقية على نظام واحد للديون من تكلفة وحجم توجيه الشعاعات الصلبة.

Quantum Photonics

وتشكل أجهزة الكشف عن الفوتونيات الوحيدة (SNSPDs أو APDs) في السيليكون لبنة رئيسية للتوزيع الرئيسي كمياً وحساب كمي للصور الفوتوغرافية، ويجري تطوير أجهزة استقبال للتصوير الضوئية مصممة لمجلة منخفضة وكفاءات عالية للكشف في شراكة مع المختبرات الوطنية.

التوقعات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

وفي المستقبل، تعد عدة اتجاهات بزيادة تقليص عدد المتلقين البصري وتحسينه.

  • Multi-lane wavelength division multiplexing (WDM):] Integrating an range of micro-ring resonator filters with photodetectors on the sameرق creates a highly compact WDM receiver. IBM has demonstrated a 16-lane receiver operating at 40 Gbps per laned.2 mm die2]
  • Machine learning-enabled optimization:] Neural networks are being used to design novel waveguide structures and photodetector geometries that achieve higher bandwidth or lower dark current than human-designed counterparts. Inverse design algorithms can generate compact grating couplers and spot-size converters automatically.
  • Active alignment-freepackaging:] Self-aligning fiber interfaces using V-grooves and micro-lenses are reducing assembly cost. Some designs incorporate polymer waveguides that can be directly printed onto the silicon photonic die.
  • ]Nonlinear silicon photonics:] Exploiting the Kerr effect in high-Q microresonators can produce on-chip optical frequency combs that serve as multiwavelength sources for receiver arrays. Such combs can be integrated with photodetectors to create a complete “transceiver on aرق.”

إن الجمع بين المواد المتقدمة وتقنيات التكامل الجديدة وعمليات الإنشاء المتطورة التي تقوم بها اللجنة هو تقريب أجهزة استقبال بصرية عالية الأداء من الانتشار الجماعي، ومع استمرار ارتفاع معدلات البيانات وتشديد ميزانيات الطاقة، ستكون هذه الابتكارات حاسمة في الحفاظ على مسار النمو في القدرة العالمية على الاتصالات.