Introducción a los circuitos de receptor ópticos integrados

Los circuitos de psiquiatra ópticos integrados son bloques de construcción esenciales en los sistemas modernos de comunicación y detección de alta velocidad. Estos circuitos convierten señales ópticas entrantes - por lo general de un cable de fibra óptica o un enlace de espacio libre- a la corriente eléctrica o voltaje que se puede procesar por electrónica digital.

La Miniaturización de la Conducción

El impulso incesante para reducir los sistemas electrónicos y fotonicos es impulsado por varias fuerzas superpuestas. Los fabricantes de electrónica de consumo quieren teléfonos inteligentes y tabletas más finos que puedan manejar la realidad virtual y streaming de vídeo 8K sin sobrecalentamiento.Los ingenieros biomédicos necesitan sensores implantables que puedan monitorizar la glucosa sanguínea o la actividad neuronal con potencia mínima y tamaño.

Principales bloques de construcción tecnológica

Plataforma de Fotones de Silicio

Sigla de sigla en inglés, los investigadores de sigla en inglés han sido seleccionados por la Universidad de Sigla en inglés.

Fotodetecdores de alta velocidad

El fotodetector es el componente frontal que determina la velocidad y sensibilidad máximas de un receptor óptico. Las fotodetectas tradicionales hechas de compuestos de GV como InGaAs ofrecen un bit de alta velocidad pero son caras para integrarse en el silicio.

Diseño de circuitos de bajo rendimiento

Los circuitos electrónicos que siguen al fotodetector —típicamente un amplificador de transimpresión (TIA) y un amplificador limitado— deben funcionar a alta ganancia mientras consumen potencia mínima. Los nodos avanzados CMOS (28 nm y abajo) permiten diseños de TIA que logran productos de ancho de banda superior a 1 THzΩ con disipación de potencia inferior a 10 mW.

Sensibilidad mejorada a través de Co-Design

La sensibilidad de multiplicación – la potencia óptica mínima necesaria para el funcionamiento sin errores– es crítica para aplicaciones donde la señal recibida es débil, como enlaces de fibra largos o comunicación óptica de espacio libre. Los receptores integrados ahora consiguen la sensibilidad por debajo –20 dBm a 25 Gbps a través de la co-optimización cuidadosa de la capacidad de fotodetector, impedancia de entrada TIA y cifra de ruido.

Avances recientes en receptores integrados

Co-integración con CMOS Electronics

El sistema de retroalimentación de la banda de fotograbados se ha convertido en un nuevo detector de energía de alta velocidad, que se ha convertido en un detector de retroalimentación de la banda de fotones, que ha sido presentado por el equipo de dosificación de la serie de datos, y que ha sido diseñado para la recuperación de la misma velocidad.

Detectores de silicio de Germanium‐on‐Silicon Empujando 100 Gbps por Canal

Los detectores de rutina de Gwit de Aleman se han convertido en el estándar para 100 Gbps por canal debido a las mejoras en el crecimiento epitaxial y el diseño de dispositivos. Al introducir una capa de silicona de grado (SiGe) entre el modulador de silicio y el absorbente de germanio puro, los investigadores han reducido la corriente oscura a menos de 100 NA mientras mantienen una responsividad de 0.85 A/W a 1310 nm.

Estructuras plasmónicas para detección de ultra-compacto

Un enfoque más radical de la miniaturización utiliza los polaritos de superficie de plasmon, ondas electromagnéticas confinadas a interfaces metalíeléctricas, para concentrar la luz en volúmenes de sub-ondas longitudinal.Los fotodetecdores plasmáticos pueden ser órdenes de magnitud más pequeñas que las convencionales, con áreas activas de tan solo unos pocos cientos de nanometros.

Desafíos en escalar receptores ópticos

Gestión térmica

Los circuitos de receptor ópticos se reducen y operan a velocidades más altas, la densidad de calor se convierte en un problema significativo. El fotodetector y TIA disipan la potencia en un área muy pequeña, a menudo por debajo de 0.01 mm2, causando puntos calientes locales que pueden degradar el rendimiento y la fiabilidad.

Complejidad de Co-Design eléctrico-Optical

La interdependencia de los dominios ópticos y eléctricos significa que un receptor no puede ser optimizado considerando fotonicos y electrónicos por separado. La capacitancia del fotodetector, respuesta de frecuencias y ruido deben ser diseñados conjuntamente con la etapa de entrada de TIA. De igual manera, la routa de señales eléctricas de alta velocidad entre el fotodetector, TIA y circuitos digitales debe minimizar las pérdidas de transmisiones de interconexiones y simulación.

Embalaje y Prueba

Aunque el chip receptor puede ser compacto, el módulo general debe seguir siendo interfaz con fibras ópticas, láseres y fuentes de alimentación. La eficiencia de acoplamiento de fibras a chips suele limitarse por tolerancias de alineación: una desalineación lateral de 1 μm puede causar 1 dB pérdida o más. Técnicas de embalaje avanzada como acopladores de aislantes y acopladores de bordes con lentes integrados han mejorado el acoplamiento, pero añaden costos y la prueba óptica totalmente costos de autosuperables.

Aplicaciones en dispositivos Miniaturizados

  • Smartphones y Wearables: Los dispositivos futuros utilizarán interconexiones ópticas para la transferencia de datos de alta velocidad entre sensores, procesadores y pantallas. Un receptor integrado que ocupa menos de 0,1 mm2 y consumir 1 mW podría sustituir algunos enlaces RF, ofreciendo menor latencia y mayor ancho de banda para aplicaciones como la realidad aumentada.
  • ] Implantes biomédicos: Los receptores ópticos intransigentes pueden detectar la luz transmitida por la piel o por una fuente externa, permitiendo la transferencia de energía inalámbrica y datos para marcapasos, grabadores neuronales y sistemas de entrega de medicamentos. La minimización es crítica para mantener los implantes pequeños y biocompatibles.
  • IoT y Smart Sensors: Los receptores ópticos de baja potencia que operan en el espectro infrarrojo cercano pueden utilizarse para LiDAR (Detección de la luz y Ranging) en drones y robots autónomos. Un solo chip receptor con una fotodioda avalancha puede detectar rendimientos débiles de objetos a cientos de metros de distancia, y varios receptores pueden ser diseñados para cartografía 3D.
  • ]Interconexión óptica del centro de datos: La aplicación de volumen más grande sigue siendo enlaces ópticos de alta velocidad dentro y entre centros de datos. Los receptores miniaturizados permiten una mayor densidad de puerto en las placas de conmutación, reduciendo el número de cables de fibra y mejorando el flujo de aire para enfriamiento. 400 módulos de Gbps utilizando receptores fotonicos de silicio de cuatro canales ya están en producción, y 1.6 módulos de Tbps.

Future Outlook

Mirando hacia delante, el ritmo de innovación en circuitos integrados de receptores ópticos no muestra signos de ralentización. Varias tecnologías emergentes podrían alterar radicalmente el paisaje:

  • Two‐Dimensional Materials: Graphene, MoS2, y fósforo negro ofrecen una movilidad de portador extremadamente alta y la capacidad de detectar fotones a través de una amplia gama de longitud de onda. Detectores integrados hechos a partir de materiales 2D han exhibido anchos de banda superiores a 200 GHz en configuraciones de laboratorio, y su naturaleza atómicamente fina podría permitir apilar circuitos de circuitos fiables
  • Receptores cuánticos: Para la comunicación cuántica y el cálculo, los receptores deben detectar fotones individuales con eficiencia casi perfecta. Los detectores de nanoalámbricas integrados de nanoafiltrado (SNSPD) ya se han demostrado en chips de silicio, alcanzando las eficiencias de detección superiores al 90% en las repeticiones de teclas de telecomunicaciones que permiten el despliegue TNStum
  • Modulación avanzada y DSP: El uso de formatos de modulación de orden superior (por ejemplo, 64-QAM, OFDM) y procesamiento de señales digitales (DSP) puede aumentar la eficiencia espectral y relajar los requisitos de ancho de banda de extremo delantero. Receptores de coherencia que integran un láser local de oscilador igual, un híbrido de 90° y un canal de imprevisibilidad de canal único
  • Integración de las paredesmónicas y de la metáfora: Las metáforas y las antenas plasmónicas pueden embudorizar la luz en volúmenes de sub-ondas longitudinales, permitiendo una fotodetección ultraalta con volumen mínimo de material. Combinando metásurfas con detectores de germanio o de grafino, los investigadores buscan crear receptores que sean ultracompactos y capaces de 100 canales de alto nivel de alto nivel de funcionamiento

"El receptor óptico integrado ya no es un componente de nicho; se ha convertido en un elemento crítico de rendimiento en casi todos los enlaces de datos de alta velocidad. La convergencia de fotones con CMOS avanzado está permitiendo circuitos de receptor más rápidos, más pequeños y más eficientes que nunca." – Dr. Elena Minetti, investigador principal del grupo de fotones de IMEC, panel ILT:1[FLT] [

Conclusión

Los circuitos de receptor óptico integrados han sufrido avances notables en la última década, impulsados por la demanda incesante de mayores tasas de datos y factores de forma más pequeños en electrónica de consumo, dispositivos biomédicos y comunicaciones de datos. Fotonices de silicona, fotodetecdores de germanio, diseño de circuitos de baja potencia y cooperación estrecha entre las disciplinas de diseño óptico y electrónico han producido receptores que logran operación de 100 Gbps por canal mientras consumen menos de 0,5 pJbits