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L'évolution de la photonique en silicone pour les récepteurs optiques de prochaine génération
La photonique en silicone est passée de la curiosité du laboratoire à une plateforme commercialement viable qui sous-tend les interconnexions optiques modernes à grande vitesse. En tirant parti de l'infrastructure de fabrication complémentaire de métal-oxyde-semiconducteur (CMOS), la photonique en silicium permet l'intégration monolithique ou hybride de composants optiques, tels que les modulateurs, guides d'onde et photodétecteurs, directement sur des substrats en silicium.
Les récepteurs optiques convertissent les signaux lumineux entrants en courants électriques. Leur performance s'articule autour de trois paramètres : la responsabilité (sensibilité), la bande passante (vitesse) et le courant noir (bruit). Les récepteurs semi-conducteurs composés III-V traditionnels (par exemple InGaAs) offrent d'excellentes performances mais sont coûteux et difficiles à intégrer à l'électronique en silicium.
Percées dans la conception de photodétecteur haute vitesse
Les photodétecteurs sont au cœur de tout récepteur optique. La demande de débits de données plus élevés (100 Gbps par voie et au-delà) a poussé les chercheurs à repenser la géométrie du détecteur et la sélection des matériaux.
Détecteurs de photophotographie germanium-sur-silicon
Le germanium (Ge) est le matériau le plus largement adopté pour les photodétecteurs en photonique de silicium parce qu'il absorbe la lumière dans la gamme de longueurs d'onde de 1,3 à 1,6 μm utilisée dans les télécoms et les datacom. Les photodétecteurs Ge-on-Si précoces souffrent d'un courant foncé élevé en raison d'un mauvais couplage de réseau avec le silicium.
Plus important encore, les photodétecteurs Ge p-i-n modernes de guides d'ondes atteignent des largeurs de bande 3-dB de 60 à 110 GHz en optimisant l'épaisseur de la région intrinsèque et le couplage de guides d'ondes. Ces dispositifs sont assez petits (zone active ~10 à 50 μm2) pour être placés directement sur les guides d'ondes en silicium, éliminant ainsi la nécessité de couplages externes de fibres.
Référence clé: Une démonstration de 2023 effectuée par des chercheurs à l'IMEC a signalé un photodétecteur Ge avec une bande passante de 120 GHz et une responsabilité de 0,9 A/W à 1550 nm, ouvrant la voie à 224 Gbps par voie (IMEC, 2023).
Détecteurs de photomatériaux à deux dimensions
Bien que le germanium domine, des matériaux bidimensionnels (2D) tels que le graphine et les dichalcogénides métalliques de transition (TMD) comme le MoS2 et le WSe2 sont en train de se former comme candidats à des photodétecteurs encore plus petits et plus efficaces. Ces matériaux atomiquement minces offrent une forte interaction entre la matière lumineuse, une mobilité élevée du porteur et la capacité d'ajuster l'absorption par le biais de la gavage électrostatique.
Des travaux récents ont démontré des photodétecteurs graphinéniques sur silicon dont la largeur de bande dépasse 50 GHz et la responsabilité augmentée à >0,5 A/W grâce à l'intégration de guides d'onde (Nature Photonics, 2022).Les photodétecteurs TMD sont prometteurs pour les configurations de photodiode d'avalanche (APD) en raison de leurs effets excitateurs puissants, qui peuvent générer un gain élevé à de faibles tensions biais.
Photodiodes d'avalanche (APD) en Silicon Photonics
Pour les applications nécessitant une sensibilité photonique unique, comme la réflectométrie optique du domaine temporel et la distribution de clé quantique, les DPA photoniques en silicium sont de plus en plus pris en considération. Le silicium lui-même est un excellent matériau pour les DPA dans le visible et proche infrarouge (jusqu'à ~1,1 μm), mais il n'absorbe pas aux longueurs d'onde des télécommunications (1,3/1,55 μm). Les chercheurs ont donc développé des structures distinctes d'absorption et de multiplication des charges (SACM) utilisant une couche d'absorption Ge et une région de multiplication Si. Ces DPA Ge/Si peuvent obtenir des produits de gain-bande supérieure à 200 GHz et des facteurs de bruit trop élevés (Journal de l'IEEE des sujets sélectionnés dans Quantum Electronics, 2022). Les conceptions de DPA compactes sont maintenant intégrées de façon monolithique dans les fronts récepteurs.
Intégration de photodétecteurs avec circuits photoniques en silicone
Le déplacement d'un photodétecteur d'un composant autonome vers un élément intégré sur puce est l'endroit où se produit le gain réel de miniaturisation. L'objectif est de créer un récepteur complet – de l'attelage de grille d'entrée à l'amplificateur de transimpédance (TIA) – sur une seule puce.
Intégration monolithique contre intégration hybride
Pour les récepteurs, cela signifie que le photodétecteur est formé dans le même flux de processus CMOS que le circuit de commande électronique. Bien que cette approche minimise la capacité parasitaire et simplifie l'emballage, elle nécessite une gestion thermique prudente pour éviter d'endommager l'électronique sous-jacente. Les récentes offres de fonderie (par exemple, de GlobalFoundries, Tower Semiconductor) fournissent désormais des plates-formes photoniques en silicium entièrement monolithique avec photodiodes Ge intégrés et TIA à haute vitesse.
L'intégration hybride, par contre, fixe les matrices III-V ou autre détecteur sur la puce photonique en silicium à l'aide d'impression microtransfert ou de liaison par puce à puces. Cela permet d'utiliser des matériaux de détecteur optimisés (p. ex., les APD InGaAs) tout en bénéficiant de guides d'onde en silicium. L'impression microtransfert, en particulier, est apparue comme une technique évolutive qui peut placer des milliers d'îles de détecteurs à l'échelle micron sur une wafer photonique en silicium avec une précision d'alignement sous-micron (Optica, 2022).
Couplage de surface par rapport à l'extrémité
Les récepteurs compacts reposent sur un couplage efficace de la lumière d'une fibre externe au guide d'onde sur puce. Le couplage de bord, où la fibre est alignée sur une facette polie de la puce, offre une faible perte d'insertion (< 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 (Rapports scientifiques, 2023). Ces coupleurs sont souvent intégrés avec des convertisseurs spot-size pour correspondre au champ de mode.
Structures de guide d'onde et architectures d'appareils innovantes
Au-delà du photodétecteur lui-même, le guide d'onde qui fournit de la lumière au détecteur peut être conçu pour améliorer les performances et réduire l'empreinte.
Grates de longueur d'onde et guides d'onde de fente
Les guides d'onde de longueur d'onde (SWG), composés de segments périodiques plus petits que la longueur d'onde de la lumière, offrent une dispersion adaptée et une perte de diffusion réduite. Lorsqu'ils sont utilisés dans un coupleur directionnel, les structures SWG peuvent comprimer le mode optique en volumes extrêmement petits, permettant aux photodétecteurs de réaliser des zones actives de quelques microns carrés seulement.
Détection améliorée par plasma
L'intégration des nanostructures plasmiques avec les photodétecteurs peut concentrer la lumière bien au-dessous de la limite de diffraction, ce qui stimule l'absorption dans les régions de détecteurs à l'échelle du nanomètre. Des chercheurs ont démontré un photodétecteur plasmique intégré au silicium utilisant une structure métal-semi-conducteur-métal (MSM) avec une responsabilité de 0,6 A/W et une bande passante supérieure à 100 GHz (Nature Communications, 2021). Les contacts métalliques dans ces conceptions agissent à la fois comme électrodes et comme antennes plasmoniques, réduisant l'empreinte globale de l'appareil à moins de 1 μm2. Bien que les pertes ohmiques dans le métal puissent limiter l'efficacité, les travaux en cours avec des métaux à faible perte (comme les revêtements en argent ou en cuivre) sont prometteurs.
Matériaux au-delà du silicium et du germanium
Pour repousser les limites de performance, les chercheurs explorent une palette plus large de matériaux qui peuvent être ajoutés à la plateforme photonique en silicium.
Niobate de lithium de fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin-fin--fin-vir-fin-fin-plan-fin-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan-plan
En liant un mince film de LNOI sur un substrat de silicium, les concepteurs peuvent créer des modulateurs à grande vitesse et, lorsqu'ils sont combinés avec un photodétecteur, un récepteur complet avec une excellente linéarité. Les récentes démonstrations de modulateurs LNOI avec une bande passante de 100 GHz indiquent que la plate-forme pourrait supporter les futures liaisons 224 Gbps PAM-4 (Optica, 2023). Pour les récepteurs, le défi demeure d'intégrer des photodétecteurs efficaces sur la même puce parce que LNOI lui-même a une mauvaise absorption dans le proche infrarouge.
Hétérostructures 2D et Perovskites
La famille de matériaux 2D van der Waals permet des hétérostructures de concepteurs sans contraintes de couplage de réseau. Une pile graphine/MoS2/graphène peut agir comme un photodétecteur avec un gain élevé (104 A/W) et une réponse à large bande. Cependant, la bande passante est souvent limitée à quelques centaines de MHz en raison des états de pièges lents. Les solutions comprennent l'utilisation de contacts graphiène à haute mobilité et de dispositifs à canaux courts.
Circuits frontaux et coemballages du récepteur
Un récepteur compact ne se limite pas au photodétecteur, l'amplificateur de transimpédance (TIA) et la récupération de données d'horloge (CDR) doivent également être miniaturisés. Les puces de récepteur photonique en silicone intègrent souvent une photodiode Ge avec un processus CMOS TIA standard de 28 nm ou 45 nm. La conception de TIA=s doit équilibrer gain, bande passante et bruit. Les innovations récentes incluent les TIA à inducteurs qui étendent la bande passante à 70 GHz tout en consommant moins de 20 mW par canal (Lettres de circuits à état solide de l'IEEE, 2023).
L'optique co-emballée (CPO) est une autre tendance majeure : au lieu de brancher des émetteurs-récepteurs optiques dans une plaque de taille de commutation, le moteur optique est placé sur le même substrat que l'interrupteur ASIC. Cela élimine les longues traces électriques, réduit la consommation d'énergie et permet une plus grande densité de bande passante. Dans les récepteurs CPO, les MIC photoniques compacts en silicium (modules multipuces) avec photodétecteurs intégrés sont liés par la technologie microbump. Intel, Broadcom et d'autres ont déjà annoncé des solutions CPO pour les commutateurs 51,2 Tbps (Intel, 2023).
Défis et considérations de fiabilité
Malgré des progrès rapides, plusieurs obstacles subsistent avant que les récepteurs photoniques compacts en silicium ne deviennent omniprésents dans les appareils grand public.
- Courant noir et bruit: Les photodiodes Ge présentent toujours un courant foncé plus élevé que les solutions de remplacement III-V, en particulier à des températures élevées. Cela limite la sensibilité pour les liaisons à longue portée.
- Complicité du processus:[ L'intégration monolithique ajoute des couches de masque et des étapes thermiques qui peuvent affecter les performances des transistors. Les fonderies doivent équilibrer les performances optiques avec le rendement paramétrique de l'électronique CMOS.
- Polarisation et sensibilité à la température: Les dispositifs de guidage des ondes en silicone sont hautement biréfrigènes et thermo-optiques (Δn/ΔT ~ 1.8×10−4 K−1). Le contrôle de la température à l'aide de microchauffeurs ou de conception athermique (par exemple, ajouter un revêtement en polymères avec un coefficient thermo-optique négatif) ajoute de la complexité.
- Fiabilité: La stabilité à long terme des détecteurs Ge-on-Si sous éclairage continu à haute puissance est toujours caractérisée. Les progrès dans l'emballage hermétique et les couches tampons de réduction de la contrainte sont prometteurs mais pas encore pleinement prouvés selon les normes Telcordia.
Applications à la recherche d'innovation
La poussée vers des récepteurs optiques plus petits, plus rapides et moins chers est alimentée par plusieurs marchés clés.
Interconnecter les centres de données
Les datacenters hyperscales nécessitent des modules 800G et 1.6T avec une faible puissance par bit (< 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 Tbps par plaque de contact.
5G/6G Avant-courrier
Les stations de base sans fil utilisent de plus en plus les liaisons RoF analogiques ou numériques (radio-sur-fibres). De petits récepteurs robustes qui peuvent fonctionner de façon fiable dans les plages de température extérieures (−40 à +85°C) sont nécessaires.
Lidar et sensation
Les systèmes de détection cohérents reposent sur des photodiodes à faible bruit et à large bande. L'intégration d'un tableau de 32 ou 64 récepteurs sur une matrice unique réduit le coût et la taille de la direction de faisceaux à l'état solide.
Photonique quantique
Les détecteurs photons (SNSPD ou APD) sur silicium constituent un élément clé de la distribution des clés quantiques et de l'informatique quantique photonique. Des récepteurs photoniques en silicone conçus pour une faible visibilité et une haute efficacité de détection sont en cours de développement en partenariat avec des laboratoires nationaux.
Perspectives et tendances nouvelles
Plusieurs directions promettent de réduire encore davantage et d'améliorer les récepteurs optiques.
- Le multiplexage de la division de longueur d'onde à plusieurs voies (WDM):[ L'intégration d'un éventail de filtres à micro-ring avec des photodétecteurs sur la même puce crée un récepteur WDM très compact. IBM a démontré qu'un récepteur à 16 voies fonctionnait à 40 Gbps par voie avec une surface de décroissance globale de seulement 1,2 mm2 (IBM Research, 2022).
- Des réseaux neuronaux sont utilisés pour concevoir de nouvelles structures de guides d'ondes et des géométries photodétecteurs qui permettent d'obtenir une bande passante ou un courant sombre inférieur à ceux conçus par l'homme.
- Les interfaces de fibres auto-alignées utilisant des rainures en V et des microlentilles réduisent le coût de montage. Certains modèles intègrent des guides d'onde en polymères qui peuvent être directement imprimés sur la matrice photonique en silicium.
- L'exploitation de l'effet Kerr dans les microrésonateurs haute Q peut produire des peignes optiques de fréquence sur puce qui servent de sources multi-ondes pour les réseaux récepteurs.Ces peignes peuvent être intégrés avec des photodétecteurs pour créer un transceiver complet sur une puce.
La combinaison de matériaux avancés, de nouvelles techniques d'intégration et de procédés de fonderie CMOS évolutives rapproche les récepteurs optiques compacts et performants du déploiement de masse. À mesure que les taux de données continuent de grimper et que les budgets d'énergie se resserrent, ces innovations seront essentielles pour maintenir la trajectoire de croissance de la capacité de communication mondiale.