האבולוציה של סיליקון Photonics עבור מקבלי ראייה הבאים

פוטוניקה הסיליקון עברה מסקרנות מעבדה לפלטפורמה מעשית מסחרית שמתבססת על חיבורים אופטיים מהירים במהירות גבוהה. על ידי מינוף של מתכות משלימים-פחמיטור (CMOS) תשתיות ייצור, photonics מאפשר את האינטגרציה מונוליטית או היברידית של רכיבים אופטיים - כגון מודולטורים, גלים, ו photodetecators - באופן ישיר על תת-קרקעית סיליקון מרכזי 5Gates, אשר יכול לחקור את מרכזי פיתוח אופטית של חומרים אופטיים מתקדמים.

מקלטים אופטיים להמיר אותות אור נכנסים לזרמים חשמליים.הביצועים שלהם מתפתלים על שלושה מדדים: תגובתיות (רגישות), רוחב פס (מהירות), וזרם כהה (ללא תשלום) מסורתי III-V מורכב מקלטים (למשל, InGaAs) מציעים ביצועים מצוינים אך הם יקרים וקשה להשתלב עם סיליקון.

פריצת דרך בעיצוב Photodetector

Photodetectors הם הלב של כל מקלט אופטי.הביקוש לשיעורי נתונים גבוהים יותר (100 Gbps לכל נתיב ומעבר) דחף את החוקרים לחשוב מחדש על גיאומטריה ובחירת חומרים.

גרמניה-on-Silicon Photodetectors

Germanium (Ge) הוא החומר המאומץ ביותר עבור photodetectors ב photonics סיליקון כי הוא סופג אור בטווח גל 1.3-1.6 μm בשימוש ב Telecom ו-Datacom. מוקדם Ge-on-Si photodetectors סבלו זרם כהה גבוה בשל גלאיות מינוף עם סיליקון. Advances בצמיחה אפיקסימית - כגון אזור סלקטיבי, כיתה , ספוגה , משקעים תרמיים ו- 0, 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 נפיחות , , נפיחות נפיחות , , 000 , 000 , 000 נפיחות ⁇ , 000 , 000 , 000 , 000 נפיחות נפיחות נפיחות , 000 , 000 נפיחות נפיחות נפיחות ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , , 000 , , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

חשוב יותר, מודרני גל מודרך גל photodetectors להשיג רוחב פס 3-dB של 60-110 GHz על ידי אופטימיזציה של האזור הפנימי והפיכה גלית.המכשירים האלה הם קטנים מספיק (אזור פעיל - 10-50 μm2) כדי להיות ממוקם ישירות על גבי מודרך גל, חיסול הצורך עבור סיבים חיצוניים.

(ב) הפגנת הדגמה של 2023 על ידי חוקרים ב IMEC דיווחו על ג'י photodetector עם 120 GHz רוחב פס ותגובה של 0.9 A/W ב-1550 nm, ובכך ל 224 Gbps ליישומים נתיב:2(IMEC, 2023).

שני חומרים מפודג'טים

בעוד שגרמניה שולטת, שני חומרים (2D) כגון גרפן ומעבר מתכת dichalcogenides (TMDs) כמו MoS2 ו WSe2 הם מתעוררים כמועמדים אפילו קטן ויעיל יותר photodetectors. אלה חומרים דקים מבחינה אטומית מציעים אינטראקציה חזקה של אור-מטר, ניידות גבוהה, ואת היכולת לכוונון באמצעות אלקטרוסטטציה.3% photodetecs, לדוגמה, למגמנטק קצר יותר (pic2) עם אנטרקורד) עם אנטרקורד (פרקטיקן רחב) עם אנטרקינטק 2 רחב יותר) עם אנטרקינטקאטים רחב יותר (פרקטיקן) עם אנטרקינטקפטיים) עם אנטרקינטקפטיים (פרקרטי) עם אנטרקינטאונדקפטיים) עם אנטרקינטאונדק 2.

העבודה האחרונה הדגים photodetectors גרף-on-silicon photodetectors עם רוחב פס מעל 50 GHz ו responsivity מוגברת כדי >0.5 A / W באמצעות גל שילוב FLT:0 (פוטניקה, 2022) veFLT:1 ; ויזואלית מבוססת TMD-ד-ד-ד-ד-ד-דמנטקטיבית מבטיחים עבור תצורה של photodiode (APD) בשל ההשפעות החזקות שלהם, אשר יכולות להיות צמיחה נמוכה ושפל, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורק בטמפרטורות גבוהות.

Avalanche Photodiodes (APDs) ב- Silicon Photonics

עבור יישומים הדורשים רגישות צילום יחיד, כגון רפלקומטי זמן אופטית-דומיין והתפלגות מפתח קוונטית, סיליקון פוטוניקה APDs צובר תשומת לב.סיליקון עצמו הוא חומר מצוין עבור APDs ב המקלט גלוי וקרוב ל- 2022 (עד 1.1 μm), אבל זה לא סופג אורכי גלקו (1.3/155 μm חוקרים) לכן פיתח קליטה נפרדת ו-ApH) באמצעות CMi-R) עם קומפקטית חומרים נוספים (R) ו-ACMD) באמצעות קומפקטיים (REC) ו- CV) עם קומפקטיים (RECD) עם קומפקטיים (D) עם קומפקטיים (REC) עם למעלה מ-REC) עם קומפקטיים (RICD) עם למעלה מ-RECD) עם למעלה מ- CLT (מבנים קומפקטיים (מבנים עם קומפקטיים (מבנים עם קומפקטיים (מחדשניים (מסוגדלהלן: קומפקטיים (מספקפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפט

שילוב של Photodetectors עם סיליקון Photonic Circuits

העברת תמונה מרכיב עומד אלמנט משולב על שבב הוא המקום שבו מתרחשת המשכורת המיניגלגלה האמיתית.המטרה היא ליצור מקלט שלם - ממקבל משובץ ועד למגבר מגבר טרנססרנס (TIA) - על שבב יחיד.

מונוליטיות לעומת אינטגרציה היברידית

שילוב מונוליטי גדל כל הרכיבים הפעילים (lasers, גלאיים, מודולרים) ישירות על סיליקון substrate. עבור המקלטים, זה אומר photodetector נוצר באותו תהליך CMOS לזרום כמו מעגל הבקרה האלקטרוני. בעוד גישה זו מצמצם קפיצות parasitic וסימולציות אריזה, זה דורש ניהול תרמי זהיר כדי למנוע את האלקטרוניקה הבסיסית נמצא לאחרונה.

שילוב היברידי, לעומת זאת, מצורף III-V או גלאי אחר מת על שבב פוטוני הסיליקון באמצעות הדפסה מיקרו-העברה או חיבור של שבב ספין-צ'יפ.זה מאפשר שימוש בחומרי גלאי מותאמים (למשל, InGaAs APDs) ועדיין נהנה מתבניות גלאי סיליקון (micro-Clo-transfer) בפרט, התפתחה כטכניקה מדרגית שיכולה להציב אלפי איים מיקרו-Fscaled) על דיוק סיליקון (pnicp) עם דיוק סיליקון:0picropnp) עם דיוק סיליקון:0pfernpfernptica) עם דיוק סיליקון (DVp) עם דיוק סיליקון:

צוק מול Surface Coupling

מקלטים קומפקטיים מסתמכים על הפיכה יעילה של אור מ סיבים חיצוניים למדריך הגל של שבב על שבב (צוק איתן) צוק, שבו הסיבים תואמים למשטח מלוטש של השבב, מציע אובדן כניסה נמוך (איור:0(דיווחים מדעיים, 2023), 1023) מבני הזוג האלה משולבים לעתים קרובות עם ממירים בגודל בינוני כדי להתאים את השדה.

מבנים ואדריכלות מכשירים חדשניים

מעבר לפוטפטקטור עצמו, את גל המעביר אור לגלאי ניתן להנדס כדי לשפר את הביצועים ולכווץ את טביעת הרגל.

גרף גליאז' Gratings and Slot

אורך גליץ (SWG) גל מונחות, המורכב מקטעים תקופתיים קטנים יותר מאשר אורך הגל של אור, מציעים פיזור מותאם והפחתה של אובדן פיזור. כאשר נעשה שימוש בזוג כיוון, מבנים SWG יכולים לדחוס את המצב האופטי לתוך כרכים קטנים מאוד, המאפשר photodetectors עם אזורים פעילים של רק כמה מיקרונים רבועים.

גילוי פלאסמטוני-Enhanced

אינטגרטור ננונו-מבנה עם photodetectors יכול להתרכז אור רחוק מתחת למגבלת clffraction, להגביר את הקליטה באזורי גלאי בגודל ננומטר, החוקרים הוכיחו סיליקון-מקודדפטמוס באמצעות מתכת-semiconductor-metal (MSM) עם תגובת של 0.6/W ומעל 100 GHz:2D) כמו מתכת, לעומת 1D2D (מסלול) נמוך יותר מאשר עיצובים מתכת (מסלולאריים) של 1D) לעומת 1D) לעומת 1D2D) לעומת 1D2D) לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, כמו מגנטיים (MSM) עם אנטנות מתכת (MSM) עם תוספת של פחות ממתכת (D) עם תוספת של 02D) עם תוספת של 02D) עם תוספת של 02D2D2D) עם תוספת של יצירת מתכת (מחדשה, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת,

חומרים מעבר לסיליקון וגרמניה

כדי לדחוף את גבולות הביצוע, החוקרים חוקרים בוחנים את מגוון החומרים הרחב יותר שניתן להוסיף לפלטפורמת הפוקימונית.

תצלום: Thin-סרט Lithium Niobate (LNOI)

ליתיום ניפולט על אינסטלטור ההיברידי (LNOI) מציע אפקט אלקטרו-אופטי חזק (Pockels) והפסד אופטי נמוך. על ידי יצירת סרט דק של LNOI על תת-קרקעית סיליקון, מעצבים יכולים ליצור מודולטורים מהירים גבוהים, וכאשר משולבים עם שבב תמונה יעילה (LNODtector) עם אתגר לינאריות מעולה23).

2D Hetero Structures ו- Perovskites

המשפחה של 2D van der Waals חומרים מאפשר עיצוב hetero מבנים ללא צמיגים מתאימים . A גרפן / MS2 / graphene ערימה יכול לפעול כמו photodetector עם רווח גבוה 108 A / W) ותגובה פס רחב למנוע לחות גלויה עכשיו עלות גבוהה של Cgapinated כי הם לעתים קרובות מוגבל כמה מאות של Mgapited מהירות גבוהה פתרונות.

עיגולים הקדמיים ו-Co-Packaging

מקלט קומפקטי אינו רק על photodetector - מגבר הגזרה (TIA) ו שחזור נתונים של השעון (CDR) חייב להיות גם מצמצם.סיליקון מקלט צ'יפס לעתים קרובות לשלב תמונה גיא יחד עם CMOS TIA באמצעות תקן 28 nm או 45m תהליך NIA חייב לצבור, רוחב פס, רעש וחידושים אחרונים כוללים 20 קומפקטיים ל-FEE פחות מ- 30 (כ- 30) מאשר 30 אינץ 'או 30 אותיות קומפקטיות ל- 30 קומפקטיות (תהליך NLT) מאשר 30 קומפקטיות של NCMFEECV קומפקטיות (n2 קומפקטיות) מאשר 30 קומפקטיות של NLT) מאשר 45 nm או 45m או 45m.

(CPO) הוא מגמה גדולה נוספת: במקום לצרף טרנזקצינים אופטיים לתוך משטח מתג, המנוע האופטי ממוקם על אותו תת-קרקעי כמו מתג ASIC. זה מבטל עקבות חשמליים ארוכים, מקטין את צריכת החשמל, ומאפשר מתגים רוחב פס גבוה יותר.ב CPO מקלטs, סיליקון קומפקטי MICs (ultip) משולב עם , 000 CLT2, כבר הודיעה על ידי CLT2.

אתגרים ושיקולים של אחריות

למרות התקדמות מהירה, כמה מכשולים נותרו לפני מקלטים פוטוניים סיליקון קומפקטיים הופכים להיות כלוביקוויטריים במכשירים צרכניים.

  • (FLT:0) אפלק הנוכחי והרעש: FLT:1igdiodes עדיין להציג זרם כהה גבוה יותר מאשר 3-V חלופות, במיוחד בטמפרטורות גבוהות.זה מגביל את הרגישות עבור קישורים ארוכי טווח. Defect Passivation טכניקות (למשל, מימן annealing, Si cap שכבות) הם מעודנים.
  • מורכבות:0 (Process המורכבות: FLT:1 Monolithicאינטגרציה מוסיף שכבות מסכות וצעדים תרמיים שיכולים להשפיע על ביצועים טרנסיסטורים. Foundries חייב לאזן ביצועים אופטיים עם תשואה של CMOS אלקטרוניקה.
  • (FLT:0) פוליסרטוט וטמפרטורת רגישות:FLT:1 סיליקון גל מכשירים הם מאוד bireparnt ו thermo-אופטי ( ⁇ n / ⁇ T - 1.8×10-4 K-1) שליטה טמפרטורה באמצעות מיקרו-ממות או עיצוב athermal (למשל, הוספת ספיגה פולימרנית עם coefficient שלילי) מוסיף מורכבות.
  • (FLT:0) אמינות: יציבות ארוכת טווח של גלאי גאו-און-סיי תחת תאורה גבוהה מתמשכת עדיין מאופיינת.התקדמות באריזות הרמטיות ובשכבות מבעבועות רוח היא מבטיחה אך עדיין לא הוכחה לחלוטין לפי תקני טלקורדיה.

יישומים נהיגה חדשנות

דחיפה למקבלים קטנים יותר, מהירים יותר, אופטיים זולים יותר מודלקים על ידי מספר שווקים מרכזיים.

מרכז המידע הבין-קישור

מרכזי נתונים היפר בקנה מידה דורשים 800G ו-1.6T מודולים עם כוח נמוך ל bitib (FLT:0 100 Tbps ל- מתג לוחמת.

5G/6G Fronthaul

תחנות בסיס אלחוטיות יותר ויותר להשתמש אנלוגיות או דיגיטליות RoF (רדיו-over-fiber) קישורים. Small, rated המקלטים שיכולים לפעול באופן אמין בטווחי טמפרטורה בחוץ (- 40 עד +85 ° C) נדרשים. photonics הסיליקון מציע את האפשרות לשלב את המקלט עם המרגר האנלוגי-לספרתי על אותו השבב.

לידר ומסר

מכונות ומכסה תעשייתית הפועלים ב-1550 אורכי גל בטוחים בעין נהנים ממערך המקלט הקומפקטי שפוטוני סיליקון מאפשרים. תוכניות זיהוי קוהרנטי מסתמכות על תמונות נמוכות, גבוהות פסווידות. integrating מערך של 32 או 64 מקלטים על אחד בודד מקטין את העלות והגודל עבור כונן מוצק של מדינתיות.

צילום: Quantum Photonics

גלאי צילום יחיד (SNSPDs או APDs) על סיליקון הם בלוק בניין מרכזי עבור הפצה מפתח קוונטית מחשוב קוונטי פוטוניים פוטוניים ויזואליים הסיליקון המיועד להפחתה נמוכה ויעילות זיהוי גבוה מפותחים בשותפות עם מעבדות לאומיות.

תחזית לעתיד ומגמות מתפתחות

במבט קדימה, כמה כיוונים מבטיחים לכווץ ולשפר מקלטים אופטיים.

  • (ה) [ה] [ה]] [ה]][ה]]][ה]][ה]]][ה]]][ה]]][ה]]][ה]]][ה]]]], [התחילה] [התחילה] [ב[[המאה ה-20]]]], היא בעלת 770]], ו[[1924]], ו[[1924]], [[1924]],]],]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]
  • (FLT:0) Machine Learning-enabled Optimization:03: ערפילית:1 משמשים לתכנון מבנים חדשים גל מודרך ומאגדי פוטודקטור גיאוגרפימטים אשר משיגים רוחב פס גבוה יותר או זרם כהה נמוך יותר מאשר עמיתים עיצוב אנושי.
  • (FLT:0) אריזות ללא היבוא: FLT:1) ממשקי סיבים עצמיים באמצעות V-grooves ו micro-lenses הם צמצום עלות ההרכבה. חלק מהעיצובים משלבים תנודות גל פולימרים שניתן להדפיס ישירות על סיליקון photonic Die.
  • (FLT:0) סיליקון פוטוניקה: FLT:1 Exploiting אפקט הקר במיקרו-ממשלתיים גבוהים יכול לייצר קומבות תדר אופטיים שבבים המשמשים כמקורות רב-גלים עבור מערך מקלט.

השילוב של חומרים מתקדמים, טכניקות שילוב חדשניות, ותהליכי CMOS מקיפים את המקלטים האופטיים הקומפקטיים, בעלי ביצועים גבוהים קרובים יותר לפריסת המונים.כפי ששיעורי הנתונים ממשיכים לטפס ולצמצם את תקציבי החשמל, חידושים אלה יהיו קריטיים לשמירה על מסלול הצמיחה בקיבולת התקשורת העולמית.