חידושים חומריים לדור הבא של מקבלי אופטי

ביצועים נהיגה ב- Optical Acceptrs באמצעות חומרים מתקדמים

מקלטים אופטיים הם העורכים הלא-מרוסים של תקשורת מודרנית, המרת פוטונים זורם דרך כבלים אופטיים סיבים לתוך אותות חשמליים אשר כוח האינטרנט, מרכזי נתונים ורשתות מהירות גבוהה.במשך עשרות שנים, הביצועים של המקלטים האלה כבר מחוסנים על ידי תכונות בסיסיות של חומרים מצטברים שלהם.כפי שתנועת נתונים גדלה באופן אקספונמיטיבי ויישומים חדשים של רוחב פס גבוה יותר וצריכת חשמל נמוכה יותר, כך הם הופכים את ההשפעות של חומרים אופטיים יותר, כך, כך, כך הם הופכים את ההשפעה של חומרים מתקדמים יותר, כך, כך, כך, כך שמפתחים יותר, כך שמפתחים יותר, כך שמפתחים יותר, כך שמפתחים יותר, כך שמפתחים יותר, כך שמפתחים יותר, כך שמפתחים יותר, כך שמפתחים יותר, כמו חומרים מתקדמים יותר, כמו שמפתחים יותר, כמו שמפתחים יותר, כך שמפתחים יותר, כך שמפתחים יותר, כך שמפתחים יותר, כמו תעבורת חומרים מתקדמים יותר, כמו שמפתחים יותר, כמו שניתוחים יותר, כמו תעבורת חומרים מתקדמים יותר, כמו תעבורת נתונים, כמו תעבורת נתונים, כך שתנועת נתונים, כמו תעבורת חומרים מתקדמים יותר, כך שמפתחים יותר,

האדריכלות הבסיסית של מקלט אופטי בדרך כלל כוללת photodetector ואחריו amplification ו- Signal עיבוד אלקטרוניקה.ה photodetector הוא המקום שבו המרה מן האור לחשמל מתרחשת, ואת החומר שלה קובע את טווח הגל הכולל של המקלט, מהירות וביצועים מסורתיים של חומר פוטודגום שנבנו מסיליקון, גרמניה, או IIIV מוליכים למחצה כמו indium aenide (בגדילה) יש השפעה גבוהה של 15 סיליקון, אבל יש מגבלות גבוהות של נפח אוויר, אבל יש לנומטר 3.

עקרונות הקרן: מה הופך את חומר Photodetector לפרט?

לפני צלילה לחומרים ספציפיים, חשוב להבין את מדדי הביצועים המרכזיים המניעים בחירה חומרית בקלטים אופטיים.רגישות או תגובתיות, מודדים כמה ביעילות החומר ממיר את האירוע פוטונים לתוך זרם חשמלי.בנדיד - המהירות שבה הגלאי יכול להגיב במהירות של חומרים סטנדרטיים - קובע את שיעור הנתונים המקסימלי.

אורך הגל של הפעולה הוא גם קריטי.מערכות אופטיות סיבים מודרניים בעיקר להשתמש C-band (1530-1565 nm) ו- L-band (1565-1625 nm), שבו אובדן סיבים הוא מינימלי.טכנולוגיות מעוררות כגון אופטיקה חופשית בחלל, LiDAR, ו-קיצור-reach Data Center קישורים מרחיבים את הטווח הספקטרום הספקטרום הנימוק ל- Mid-frared The אידיאלי היה צורך ב-Fed כדי לשמור על דרישות גל מהירות, כדי לשמור על מנת לעמוד בדרישות מהירות, כדי לשמור על מנת לשמור על מנת לספק גישה מהירות גבוהה.

Graphene: The Ultrathin Wonder at the Forefront

Graphene, שכבת פחמן אטומית יחידה מסודרים ב-דבשcomb lattice, כבשה את הדמיון של חוקרים ברחבי העולם.מבנה האלקטרוני הייחודי שלה, הכולל אפס Bandgap ונשאות מטען גבוה במיוחד (מעל 200 ס"מ / Vs בדגימות באיכות גבוהה), הופך אותו מועמד מרתק עבור photodetection מהיר מאוד.

עם זאת, חוסר של להקהות אומר גם כי photodetectors טהור להציג זרם כהה גבוה.כדי להפחית את זה, החוקרים הנדסו מכשירים כגון phototransistors גרפן, שבו נשאים פוטוגניים מוגדלים הם המושפעים על ידי פעולה transistor, ו גרפים מבוססי גרפן, אשר משתמשים בשדות חשמליים ממגע מתכת או gating כדי להפריד רוחב פסים עם גרפים משולבים לאחרונה: 50 גרם מדרגות מטבוליות מטבוליות מטבוליות מ- 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

אתגרים עם Graphene

למרות ההבטחה שלה, גרפן ניצב בפני מכשולים משמעותיים לפני אימוץ נרחב במקלטים אופטיים מסחריים.האתגר הדומיננטי הוא הזרם האפל הגבוה, אשר מקטין יחס אות-לא-מסים עבור אותות חלשים. אסטרטגיות שונות הוצעו, כולל הצגת להקה באמצעות דפוס חומרים אופטיים מספיק (חומרי גרף) או דו-צדדיים תחת שדה חשמלי, אך אלה נוטים להפחית את הניידות.3% אחרים הם השגת קושי עקבי, גדול, יותר, גרף-אפופן גבוה יותר, תוך כדי גרף נמוך (מסוג של גרף) תוך כדי גרף (אפקטים) במהירות גבוהה של גרף 2DLCDLCDEST) ואפקטים (מחץ) מגובהומטר (מחץ) עם גרף (מחץ) מגובהומטר) עם גרף (מחץ נמוך יותר, לעומת זאת, לעתים קרובות) עם גרף (מסוגל-מחץ נמוך יותר, לעומת זאת, תוך שימוש בגרף (מסוגלצמצם) עם גרף (מסוג של גרף נמוך יותר, לעומת גרף נמוך יותר, לעומת גרף (מסוג של גרף) מחוספסדפסדפסדפסדפסדפסדפסדפסדפסדפסדפסדפסדפן)

מעבר מתכת Dichalcogenides: גמישות ותגובה גבוהה

מעבר מתכת dichalcogenides (TMDs) כגון Molybdenum disulfide (MoS2), tungsten diselenide (WSe2), ו molybdenum diuride (MoTe2) הופיעו כמשפחה חזקה נוספת של חומרים 2D. בניגוד גרפן, TMDs יש להקה ישירה בצורת monolayer, בדרך כלל גלוי לנפח אטומים, כמו אינטגרטיביים חזקים.

מונוטרה TMD photodetectors יכול להשיג photoresponsivity גבוהה מאוד - לעתים קרובות אלפי amperes per וואט - מתן ספיגת גרפיטי חזק ו ימי נושא ארוכים.לדוגמה, MoS2 phototransistors הוכיחו כי responsivities מעל 106 A / W ברמות אור נמוכות, הודות מנגנוני רווח גבוה זה מגיע לעתים קרובות עלות של מהירות איטי, כי הם מגבלות גבוהות יותר של חומרים מתקדמים יותר של חומרים מתקדמים על ידי גירוי רוחב פסים.

המונחים: Band Engineering

היתרון העיקרי של TMDs הוא היכולת ליצור איכות גבוהה וניל דר ויטאלים hetero מבנים על ידי ערימה של שכבות 2D שונות. אלה hetero מבנים ניתן לתכנן כדי ליצור יישורי להקה מסוג II, קידום הפרדה יעילה של אלקטרונים פוטוגניים וחורים שקוף, או כדי מהנדס את התגובה הספקטרום על ידי בחירת חומרים עם להקות משלימים.

Perovskites: הסתברות גבוהה בעלות נמוכה

חומרים Perovskite - שיעור של תרכובות עם מבנה גביש ABX3 - מהפכה בתחום של photovoltaics, השגת יעילות המרה כוח העולה על 25% רק יותר מעשור. התכונות האופטו-אלקטרוניות יוצאות דופן שלהם, כולל ספיגת אופטית חזקה (אפקטים אופציונליים חזקים >105-1 על אורכי גל גלויים וקרובים), אורך טומפוזיציות ארוך, ופסבל, הראו גם משככי עיניים אטרקטיביות, כמו כן, כמו כן, גורמות לתמונות מהירות גבוהה.

אחד היתרונות המשכנעים ביותר של perovskites הוא ייצור נמוך, פתרון עיבוד פתרון. בניגוד גרפן או TMDs, הדורש CVD יקר או exfoliation, סרטים perovskite ניתן להפקיד באמצעות ספין-קוטינג, הדפסה דיוג'ט, או ציפוי מזל-די בטמפרטורות נמוכות, פוטנציאל ייצור בקנה מידה גדול, רול-ל-לורד זה יכול לנצל מהפכה אופטית עבור יישומים קצרים, כגון תמונות ברמה נמוכה.

מחסומים ו ⁇

למרות ביצועי המעבדה המרשימה שלהם, perovskites סובלים מבעיות יציבות ידועות.החומרים שצוינו במהירות כאשר נחשפים ללחות, חמצן, חום או תאורה מתמשכת, בעיה רצינית עבור האמינות ארוכת טווח הנדרשת ב-Telemucom וציוד מרכזי נתונים. Extensive מחקר לתוך אסטרטגיות של capsulation, הנדסה הרכב (למשל, הוספת cesium או בצורת amilidium), ו- peraniteicular Resurresk יש שיפור משמעותי יותר.

אספקת תצלום של סיליקון עם גרמנית ו- III-Vאינטגרציה

בעוד חומרים 2D ו perovskites לשלוט כותרות, מערכות חומר מבוססות גם עוברים חדשנות משמעותית. סיליקון פוטוניקה אימצה בעיקר את photodetectors גרמני המשולב ישירות על גבי גלות סיליקון. Germanium יש להקה ישירה בסביבות 0.8 eV, סופג אור עד 1550 nm, מה שהופך אותו מתאים עבור C-band גרמני phototecators מייצור ב fabs כמו קליטוריייקציה גלובלית או קליטוריייקטבורד (S) יותר מקודמת קליטוריקודמת סגסוגת יותר מקודמת C-R) יש יותר.

חומרי 3-V כגון InGaAs ממשיכים לשלוט ביצועים גבוהים, דיסקרטי אופטי מקלט, במיוחד עבור מכשירים ארוכי-האול וצוללות קישורים שבו רגישות ומהירות האולטימטיבית הם רב-חשיבות.העלות הגבוהה וגודל הנדפס המוגבל של InPstrates להפוך את האינטגרציה מונוליטית עם סיליקון מאתגר, אבל טכניקות האג"ח (כגון Die-to-wafering) ו- heteroepiy על ביצועים מתקדמים בסיליקון-SOSTDIS הם הוכיחו מוצרים מתקדמים עם סיליקון-buttator (מתאים משולבים) ו-buting 3.

Beyond 2D Materials: Plasmonic and Quantum Dot Enhancements

דחיפה חסרת רחמים למהירויות גבוהות יותר וטביעות רגל קטנות יותר עוררה גישות היברידיות הנשואות עם החידושים פילסמוניים nanostructures. Plasmonic photodetecators להשתמש nanoantennas מתכתי או gratings כדי לרכז אור לתוך כרכים nanoscale, עלייה דרמטית בקליטה בשכבות זעירות מאוד.על ידי שילוב גרפן או TMDs עם מבנים plasmonic, החוקרים השיגו photoresse לעשר עד 100 פעמים רחב יותר מאשר חומרים אינטנסיביים.

כיוון מרגש נוסף כרוך dots קולונואידית קוונטית (QDs) - מוליכים nanocrystals כי ה-Sgap שלהם יכול להיות מכוון ברציפות על ידי שינוי גודל שלהם.co.ilts של sulfide מוביל (PbS) או indium arsenide (InAs) יכול להיות מופקד על ידי פיתוח תמונה גדולה של קוגניציה, בדרך כלל, הם כוללים קלטות נמוכה.

אתגרים בדרך לאימוץ מסחרי

למרות המערך המרתיע של חומרים ומבנים חדשים, הדרך מהפגנת מעבדה למקלט אופטי מסחרי היא בעייתית עם אתגרים. 5 אזורים קריטיים שולטים בשיחה בין חוקרים ומהנדסי תעשייה:

1. (FLT:0) יכולות אוויריות וגמישות: ⁇ FLT:1 ; 2D חומרים כמו TMDs ו perovskites חייב לשרוד את תקני האמינות החמירים של תעשיית הטלקום (Telcordia-468) כולל רכיבה על טמפרטורה, חשיפה לחות והזדקנות ארוכת טווח. Encapsulation, אריזות, ו doping חומרים הם תחומי מחקר פעילים כדי לענות על דרישות אלה.
2. (FLT:0) ייצור שניתן לצרף: FLT:1eur כדי להתחרות עם הקימה InGaAs או Germanium photodetecators, כל חומר חדש חייב להיות מיוצר בקנה מידה מתפתל עם אחידות גבוהה ותשואות.D צמיחה של גרפן ו- TMDs משתפר, אבל פגמים נשארים גבוהים יותר מאלה של סיליקון או תלת-ו-ו-וולטב.
3. (FLT:0 CMOS Compatibility:FLT:1 עבור מוסריות כלכלית, חומרי פוטודקטור חדשים חייבים להיות משולבים באופן אידיאלי לתוך זרמי CMOS סטנדרטיים ללא שילוב של עיבוד החזיתי.חומרים אקזוטיים רבים (כגון מוביל halide perovskites) אינם עולים בקנה אחד עם סביבות נקיות, מה שמחייב לאחר עיבוד או אינטגרציה חלופית שעולה.
4. (FLT:0) רפורמות קונסטנטיון: ההרחבה הגבוהה ותגובתיות הנצפת במכשירי מעבדה לעתים קרובות תלויה בפגמים ובמלכודות שאינן ניתנות להתחדשות.לדוגמה, photodetectors גרפן מראה ביצועים שונים במידה רבה בהתאם לאיכות תת-קרקעית, התנגדות ליצירת קשר, ושליטה סביבתית.
5. (FLT:0System-Level Optimization: FLT:1) A photodetector הוא רק מרכיב אחד של מודול מקלט אופטי.הביצועים של החומר צריך להיות מאוזן עם המאפיינים של מגבר טרנססרמנטציה (TIA), אריזה parasitics, וניהול תרמי יכול להיות צורך לעצב מחדש ארכיטקטורות שלם כדי לנצל לחלוטין של חומר חדש.

מגמות מחקר עתידיות ומגמות מחקר מתפתחות

במבט קדימה, כמה מגמות מחקר מבטיח להאיץ את אימוץ של חומרים מתקדמים במקלטים אופטיים.שדרה מבטיחה אחת היא התפתחות של מבנים hetero חלקיקים-ממדיים מעורבים המשלבים את נקודות החוזק של 0D (הדברים הקוונטיים), 1D (nanowires), 2D (graphene/TMDs), ו 3D (מוליכים למחצה) בחומרים חד-משמעיים כאלה, יכול להשתמש בשכבה בינונית, כמו גם בתרכובת, כגון גרף, כגון, 000, 000, 000, אך ניתן להגדיל את המורכבות גבוהה, אך ורקמותק, אך ורקמותק, כגון, כגון, תרכובות, תרכובות, תרכובות, כגון, כגון, 000, תרכובות, תרכובות, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 גבוהה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000

למידת מכונה מתחילה גם לשחק תפקיד. חוקרים משתמשים במודלים של AI כדי לחזות את התכונות האופטו-אלקטרוניות של חומרים לא מעודנים, מאיצה את החיפוש אחר יצירות חדשות.פלטפורמות סינתזה אוטומטית יכולות למסך אלפי שילובים חומריים לביצוע פוטודקטור.גישות אלה עשויות לזהות גרסאות חדשות של perovskite או 2D ⁇ s אשר תעלמו בעבר.

ברמה מעשית יותר, הביקוש לשיעורי נתונים גבוהים יותר (400 Gb/s, 800 Gb/s, ומעבר) מניע את אימוץ של פורמטים מתקדמים כמו PAM-4 וגילוי קוהרנטי. המערכות הללו דורשות photodetectors עם הרבה ליניאריות גבוהה ורעש נמוך, אשר חומרים כמו גרפן ו- קוונטים החלו לספק.

שם הסרטון: The Road Ahead for Next-Generation Optical Acceptrs

חידושים חומריים אינם רק שיפור מצטבר של מקלטים אופטיים; הם מייצגים חשיבה יסודית של איך photodetection מושגת.מדיוק האטומי של 2D חומרים ליעילות פתרון של perovskites ואת האלגנטיות הקלאסית של Germanium מהנדס, ערכת הכלים הזמינה מעצבי מקלט אופטיים עשיר יותר מאי פעם.התחרות האולטימטיבית לא תיקבע רק על ידי מטר אחד, אלא על ידי הביצועים העדין, וצריכה מסוימת, הצרכים של האדם, אשר עומדים בדרישות ספציפיות של יעילות האדם.

עבור ביצועים גבוהים רשתות ארוכות-האול והמטרופולין, חומרים III-V המחוברים לסיליקון ימשיכו לשלוט בעתיד הקרוב, עם סיורים הדרגתיים של מכשירים גרמניים-על-סיליקון עבור transceivers רגישים בעלות.במערכות מרכז נתונים, שבו נפח ויעילות כוח הם קריטיים, גרמניה וסיליקון משולב מעגלים כבר מחזיקים עמדה חזקה.

יציבות ואינטגרציה נותרו החזקים ביותר של שמירה.ללא פתרון של ההשפלה החומרית הבסיסית ואתגרי הייצור, אפילו תוצאות המעבדה המרגשות ביותר לא יתורגמו למוצרים בעולם האמיתי.שאמרו, המומנטום מאחורי חומרים בתקשורת אופטית מעולם לא היה חזק יותר.השקעה ממעבדות לאומיות, אוניברסיטאות וחברות כמו נוקיה, אינטל, ו-Huawei היא התקדמות מאיצה.

בעוד התיאבון העולמי לנתונים ממשיך את ההתרחבות הבלתי פוסקת שלו, התפקיד של מדע החומרי המאפשר מקלטים אופטיים הדור הבא לא ניתן להפריז.המכשירים הללו יוצרים את הקישור האחרון הקריטי בשרשרת השידור האופטית, ושיפורם מתורגם ישירות ליכולות רשת גבוהות יותר, צריכת אנרגיה נמוכה יותר לקצת, ויכולות חדשות שיעצבו את עתיד התקשורת.