הבנת הגבולות של טכנולוגיות קבלה אופטיות נוכחיות

ניתוח של אדריכלות Photodetector

ארכיטקטורות מקלט שונות פותחו כדי לאזן את הבורסות בין רגישות, מהירות ומורכבות.

צילום: Simplicity and Speed Constraints

הפוטואידיות PIN מייצגת את הגלאי הנפוץ ביותר בקישורים קצרים ומהירות בינונית.פשטות שלה, הגבלת מתח הפעלה נמוכה, ואמינות גבוהה הן יתרונות מרכזיים.אזור רוחב הפס הפנימי (I) בין שכבת P ו- N שכבות נועד להיות מרוקן לחלוטין, יצירת שדה חשמלי חזק כי סוחף את עוביי הצילום לאלקטרודות.

Avalanche Photodiodes: שיפור רגישות עם מורכבות גבוהה יותר

עבור יישומים ארוכי טווח ורגישויות גבוהה, photodiode avalanche (APD) מציעה יתרון משמעותי באמצעות רווח פנימי.על ידי הפעלת הטיה הפוכה גבוהה, ספקים מתוחכמים יכול לייצר עוד זוגות אלקטרונים באמצעות אפקט הדבקה, אך לעתים קרובות מספק יתרון רב-תועלת (מ) של 10 עד 100, שיפור משמעותי היחס בין היתר ל-לטווח נמוך יותר מאשר אפקט אלקטרון-אפקטיבי (pide) עם אפקט גבוה יותר מאשר אפקט של ירידה משמעותית של צריכת חשמל גבוהה.

מתפתח ומיוחדים

מעבר ל- PIN ו- APD מבנים, סוגים אחרים של הגלאים מתייחסים לצרכים ספציפיים של יישום מתכת-Semiconductor-Metal (MSM) photodiodes מציעים מהירות גבוהה מאוד וקלות של שילוב ל- III-V או תהליכי סיליקון, אבל הם סובלים מתגובה נמוכה בשל התפוקה אלקטרודהיתיתית גבוהה יותר של מנועי תקשורת מתקדמים, אך גבוהה יותר מאשר טלוויזיות לטווח גבוה של תאים חשמליים (UTC) תמונות בינוניות נפרדות וספקיות, המאפשרות גבוהה של תאים מהירים יותר, כמו קרינת רוחב פסים, אך הן בעלות טווח חשמליות גבוהה יותר, אך הן בעלות נמוכה יותר, אך גבוהה של תאים גמישים, אך הן יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר של תאים גמישים, אך הן יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, לעומת זאת הן יכולות גבוהות יותר, לעומת זאת הן מציעות, אך הן מציעות, אך הן יכולות גבוהות יותר, כמו מגנטיות גבוהה יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, אך הן יכולות גבוהות יותר, אך

נעלי בקבוק קריטיות במערכות מודרניות

המגבלות הספציפיות של סוגים של גלאי אינדיבידואלית מתאחדות לכמה צווארי בקבוק ברמה של מערכת, המגבילים את ביצועי הקישור האופטיים.

ה-Bandwidth-Efficiency Trade-off

זהו קוהרנטיות העיצוב הדומיננטית לכל photodetectors. לספוג יותר אור ולהגדיל את responsivity, אזור ספיגת עבה יותר יש צורך.עם זאת, אזור עבה יותר מגביר את זמן המעבר עבור ספקים להגיע אלקטרודות, צמצום מהירות המכשיר בו זמנית RC של המכשיר ואת הגמישות השבר הפתטית שלו גם כן, על ידי מהירות גיאומטריה גבוהה ובחירת חומר כדי למצוא את המהירות הגבוהה ביותר של תהליך ה- GB-ג'אטורה.

מקורות רעש וזיהוי אותות

רגישות המקבל, הכוח האופטי המינימלי הנדרש עבור BER מטרה, מוגבלת באופן יסודי על ידי רעש.מספר מקורות רעשים מכים ביצועים:

• (ב) [ה]הטבע הפוזיניסטי של הגעת פוטון ודור של נושאים אפלים, הוא קובע את הגבול הקוונטי הבסיסי לזיהוי.
• (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0) Excess Noise (APD): ההרחבה 1 (הטבע הסטטיסטי של תהליך ריבוי העבדות של הנבלאניצ'ה מציג רעש נוסף מעבר לרעש ירי פשוט, המאופיין על ידי ה-K-factor.
• (ב) זרם ה-Delrk Present:0) ,Lakage הנוכחי, אשר זורם אפילו בהיעדר אור.הוא תורם לרעש יריה ויכול להשתנות באופן משמעותי עם מתח טמפרטורה והטיה.

שלמות אותות נפגעת עוד יותר על ידי התערבות בין-סימבול (ISI) הנגרמת על ידי רוחב פס מוגבל ועל ידי עיוותים לא ליניאריים במודולטור ואלקטרוניקה נהיגה. בתדרים גבוהים, פרציטיות אריזה ותקלות לא-מפריעות יכול לפגוע קשות באיכות האות, הדורש תכנון זהיר של חזית המקלט.

ניהול חשמל ו-Thermal Management

TIAs ו- APDs הפועלים במתחים להטיה גבוהה מייצרים חום משמעותי.בערכים צפופים, כגון אלה המשמשים באופטיקה ארוזה עבור מרכזי נתונים היפר-ממדיים, ניהול עומס תרמי זה הוא אתגר אריזה משמעותי.צריכת הכוח של שרשרת המקלט (פוטוקטור + TIA) תורמת ישירות לאנרגיה הכוללת עבור יישומים אופטיים כמו חיבורי נתונים, יעילות נמוכה של תפקוד חשמלי הוא לעתים קרובות פונקציות לחץ נמוך של יעילות DDC.

אי-לינאריות וטווח דינמי

כמו פורמטים מודולציה להיות מורכב יותר (למשל, PAM-4, 16-QAM, 64-QAM), הליניאליות של המקלט האופטי הופך קריטי יותר ויותר. דחיסה לא ליניארית ב photodetector או TIA יכול למזער את קבוצת האות, להגביל את אות דחיסה achievable-to-noise ולהגיע למקסימום.

שילוב ושילוב

שילוב היברידי של photodetectors עם אלקטרוניקה מוסיף אינדוקטי אינדוקטי ו capacitance, הגבלת ביצועים במהירות גבוהה. בעוד שילוב מונוליטי (למשל, photonics עם Ge photodetectors) מקטין parasitics, זה לעתים קרובות דורש הפיכה בביצוע של קרינת צילום עצמו.

דרישות מימון נהיגה חדשנות

המגבלות של טכנולוגיות המקלט הנוכחיות מורגשות ביותר ביישומים מסוימים.

חיבורי נתונים (400G/800G/1.6T)

הביקוש הבלתי צפוי לפס רוחב פס בתוך ובין מרכזי נתונים מניע את הצורך בכוח נמוך, קומפקטי, אמין מאוד טרנזקצירים אופטיים. PAM-4 Modulation ב 50, 100, ו -200 Gbps לכל אורך הגל הוא עכשיו תקן. סיליקון photonics (SiPh) מקבל רגישות מספקת של photodiodes עם CMOS אלקטרוניקה, הם מאוד מועדים עבור יישומים אלה בשל עלות נמוכה וקיבולת נמוכה של צריכת מוגבלת (D) במיוחד עבור טיפול קצר יותר (pvd)

Long-Haul ו-Coherent Telecom

רשתות אופטיות ארוכות טווח מסתמכות רבות על גילוי קוהרנטי, אשר משלב את האות הנכנס עם אוסטרטור מקומי (LO) לייזר כדי לשחזר הן amplitude והן מידע שלב. המקלטים קוהרנטיים הם מורכבים יותר מאשר מקלטי זיהוי ישיר.הם דורשים מפולגים קמצמיים, היברידיות אופטיות (למשל, 90 מעלות היברידיות), ותמונה מאוזנת למקבלי מהירות גבוהה של רכיבי DItec להורדת לחץ דם גבוהים.

LIDAR עבור מערכות אוטונומיות

מקלטים אופטיים המשמשים LIDAR (Light Detection and Ranging) יש סט שונה לחלוטין של דרישות בהשוואה למקלטי טלקום. LIDs. LIDAR המקלטים חייבים לזהות דופקים קצרים מאוד (לעיתים קרובות ננו-שניים) ולקבוע את זמן הטיסה (ToF) עם דיוק גבוה של מערכת חשמל (Sam) אבל דרישות גבוהות יותר בגלמפוסים ספציפיים (n) לטווח ארוך של 0, אך הם יכולים לראות את התכונות של חומר קבוע נמוך יותר מ-Ap) ו-Ap-Ap-Squarepicial (n-Ap) אך ורק לאחר דרישות של חומר קבוע נמוך יותר מ-Apine-Apine-Ap) עם אפקטים).

עתידים ופתרונות טכנולוגיים

הכרה במגבלות של טכנולוגיות נוכחיות, חוקרים ומעבדות תעשייתיות רודפים מספר דרכים מבטיחות.

פלטפורמות חומריות

חומרים מעבר לתרכובות 3-V מסורתיות וסיליקון נחקרים על הפוטנציאל שלהם להתגבר על מכשולים ביצועיים בסיסיים. Graphene, עם המוביל הגבוה ביותר שלה וקליטת פס רחב, מבטיחים photodetectors עם מהירות גבוהה מאוד (באופן בלעדי >500 GHz) וטווח גל רחב יותר.עם זאת, נוגדנים אופטיים דקים של מכסה חד אטומי יחיד מגבילים אחריות.אסטרטגיות כדי לשפר, כגון שילוב של picolsic2Didesicsics) עם אטומית 2Didesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesive.

מבנה Cavity Enhanced (RCE)

תמונה RCE מציבה את שכבת הקליטה בתוך שכבת פברי-Perot resonant cavity שנוצר על ידי שתי מראות ויזואליות גבוהה.תצורה זו מאפשרת השדה האופטי לעבור דרך שכבת הקליטה מספר פעמים, להגדיל באופן דרמטי את יעילות קוונטית יעילה ללא צורך בשכבה עבה של גלאי RCE יכול להשיג מהירות גבוהה (בשכבת הקליטה) ויעילות גבוהה (resonant cavity) במיוחד עבור גלאי גלאי מתכת גבוהה).

עיבוד אותות דיגיטליים (DSP) ושוויון

ב המקלטים המודרניים, DSP חזק משמש לפצות על ליקויים פיזיים בערוץ אופטי ואת חומרת הקלט עצמו. דירקטורים דיגיטליים שווים יכולים לבטל התערבות בין-סימבול, לפצות על מגבלות רוחב פס של photodiodes ו- TIAs, ולצמצם את הטכניקות של שינוי דרמטי יותר ויותר של DSP מתקדם מוחל גם על מערכות זיהוי ישיר, המאפשר פורמטים מורכבים ושיפור ביצועים באמצעות חומרה פשוטה יותר, לדוגמה, קריפטציה דיגיטלית, ו-קרדומי תיבות של תפקוד יעיל יותר ויותר.

אינטגרציה: Silicon Photonics (SiPh) ו- PICs

המטרה של שילוב פוטוני בקנה מידה גדול היא להפחית את העלות, הגודל והצריכת החשמל על ידי שילוב פונקציות פוטוניקה מרובות על שבב יחיד.סיליקון פוטוניקה, תוך מינוף התשתית העצומה של תעשיית המוליכים למחצה, התקדמה התקדמות יוצאת דופן.מונוליטית שילוב של תמונות סיליקון-Phccry עם גלווי גל ואלקטרוניקה CMOS הוא עכשיו מציאות מסחרית.

מסקנה

טכנולוגיות מקלט אופטיות נוכחיות, בעוד יסוד לאינטרנט, פועלות תחת מגבלות חמורות ולעתים קרובות סותרות.השינויים הבסיסיים בין רוחב פס ויעילות, מגבלות הרעש הטבוע של photodetection, ואת האתגרים של צריכת חשמל ואינטגרציה מגדירים את הגבול של פיתוח המקלט.השינוי ממערכות פשוטות של PIN ו- APD לעבר שילוב מתקדם, חומרים חדשים, ועיצוב מערכת DSP-centric מאפיין את ה- Nothen המודרנית מציעה פתרון אבטחה מדויק של טכנולוגיות, ובמקום זאת, יש צורך בזהירות, במקום זאת, יש לבחון את איכות המידע הספציפית של יעילותו של טכנולוגיות אופטיות של יעילותו של יעילותו של יעילותו של יעילותו של יעילותו של יעילותו של מערכת ניהולית של מערכת ניהול נתונים ספציפית של מערכת ניהולית של יעילותו של יעילות גבוהה, במקום זאת, או יישום, או יישום, או יישום.