התפוצה המהירה של אלקטרוניקה ניידת - טלפונים חכמים, עונדים, אינטרנט של דברים (IoT) חיישנים וכלים אבחון רפואי - יצרו דרישה בלתי-נראית עבור מקלטים אופטיים קטנים יותר, מהירים ויעילים יותר.מרכיבים אלה להמיר אותות אופטיים לאלקטרוניקה, המאפשרים תקשורת נתונים מהירה במהירות גבוהה, חישה, ודמייתה. כמו גורמים טופס טופס מתכווץ ודרישות מחמירות, miniaturization של מקלט אופטיזציה של מקלטים הפך למגמות טכנולוגיות קריטיות, מאפשר התפתחויות אלה, כדי לבחון את מגמות הנדסיות.

מקלטים אופטיים ביישומים ניידים חייבים לאזן גודל, צריכת חשמל, רגישות, ועלות. עיצובים מסורתיים של דיסקרטי-קומנטים מוחלפים על ידי פתרונות משולבים מאוד המנצלים חומרים מתקדמים, טכניקות ייצור, וארכיקטורות מערכתיות.התוצאה היא דור חדש של מקלטים אופטיים שאינם רק קטנים יותר, אלא גם מסוגלים יותר, לייעל את הדרך לחידושים במציאות מוגברת, ביומטרי, וקישוריות, או אי-כוליות.

התקדמות טכנולוגית נהיגה Miniaturization

מגמות טכנולוגיות שונות מאפשרות את ההפחתה היציבה בגודל ובכוח של מקלטים אופטיים.אלה כוללים מעגלים פוטוניים משולבים, חומרים מוליכים למחצה מתקדמים, מיקרו-אופטיקה, וגישות אריזה חדשניות.כל אחד תורם לטביעה קטנה יותר תוך שמירה או שיפור מדדי ביצועים כגון רוחב פס, דמות רעש וטווח דינמי.

מעגלים פוטוניים משולבים

מעגלים פוטוניים משולבים (IPCs) מביאים פונקציות אופטיות מרובות - גליווי גליון, מודולציה, סינון וגילוי - על שבב יחיד.על ידי החלפת מרכיבים דיסקרטיים מרובים עם שילוב מונוליטי או היברידי, IPCs להפחית את נפח הכולל של שרשרת המקלט. , תמונות הסיליקון הופיעו כפלטפורמה מובילה כי היא ממנתבת רכיבי מתכת-חמצני קיימים (CMbation), הדגימה נמוכה של 50 נקודות ייצור.

מעבר לסיליקון, פלטפורמות כגון Indium phosphide (InP) ו-Greium arsenide (GaAs) מציעים תכונות אופטיקוטרונזיות גבוהות לזיהוי ישיר מהיר.חוקרים גם חוקרים חוקרים בוחנים גישות היברידיות המשלבות רכיבים סיליקון פסיביים עם 3-V שכבות פעיל כדי להשיג ביצועים הטובים ביותר בכיתה.

חומרים מתקדמים

סיליקון נרחב מסורתי יש מגבלות בקליטה אופטית ומהירות, במיוחד באורכי גל מעבר לחומרים מתקדמים ליד- infrared. עם פסים ישירים וניידות נושאת גבוהה הם חיוניים עבור מקלטים קומפקטיים, ביצועים גבוהים.חומרים אלה מאפשרים photodetectors עם אחריות גבוהה, זרם כהה נמוך ורוחב פס גבוה - כל המכשירים הניידים עבור תפעול על מגוון רחב של אותות.

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(FLT:02 חומרים ממדיים FLT:1, כולל גרפן ומעבר dichalcogenides מתכת (TMDs), הם גם תחת חקירה אינטנסיבית. עובי בקנה מידה אטומי שלהם מאפשר photodetectors אולטרה-שותף עם רגישות גבוהה וזמני תגובה מהירה.למרות עדיין בשלב המחקר, מקלטים מבוססי גרפן הראו את היכולת לזהות תמונות חדות בטמפרטורה, פריצת דרך שיכולה להפוך גורמים ביו-רגישים ומאובטחים.

מיקרו-אופטיקה ו-NanoPhotonics

המיניגלגליזציה אינה מוגבלת לאינטגרציה אלקטרונית ופוטנית; הממשק האופטי עצמו חייב להיות בקנה מידה. מיקרו-אופטיקה - כגון עדשות diffractive, מיקרון מנטאליות, ומיקרו-פריזמים - ממוקד וזוג אור לתוך קטנטנים זעירים אדמנטים חינם-form אופטיים המוטבעים על ידי הדפסה תלת-ממדית או ליתוגרפיה אפורה מאפשרים מורכבות בעיצוב בנפח של כמה מעוקבים אלה הם באופן יותר ויותר מנפחים.

מבנים ננופוטניים, כולל אנאנטנות פילמוסיות, metasurfaces dielectric, ו גל מונחה גל הממריץ את בני הזוג, לספק מניפולציות אור באורך גלים. A plasmonic photodetector, למשל, יכול לרכז אור לתוך כרכים קטנים יותר מאשר את הגבלת ההיקף, וכתוצאה מכך אזור גלאי של רק כמה מיקרומטר רבועים תוך שמירה על יעילות קוונטית גבוהה.

Wafer-Level Packaging ו- 3D אינטגרציה

אריזה באופן מסורתי מהווה חלק משמעותי של נפח הכולל של המקלט האופטי.וניפר אריזות ברמה גבוהה (WLP) טכניקות - כגון באמצעות silicon באמצעות (TSVs), מיקרו-bumps, ו-Vfer-Fiual היישור אופטי ברמה גבוהה - אפשר למקבל למות כדי להיות ערערם ישירות על CMOS למות או ארוז בצורת שבבים 3D להפחית את אורך הקשר, קצבי נמוך יותר, תוך כדי קיבולת נמוכה יותר, תוך קיבולת נמוכה יותר, תוך קיבולת נמוכה יותר.

מנהיגי התעשייה כמו FLT:0 (LumentumFLT) 1 ו-FLT:2BroadcomveFLT 3 הוכיחו מקלטים אופטיים עם WLP, אשר תופסים פחות מ 3 מ"מ3, כולל המיקרולן.

מגמות מתפתחות ו-Outlook

בעוד טכנולוגיות נוכחיות כבר מספקות miniaturization מרשים, כמה מגמות מתעוררות מבטיח לדחוף את הגבולות קדימה. אינטגרציה פוטוניקה-אלקטרונית, עיבוד אותות מכונה, שילוב heterogeneous, ו substrates גמישים יגדירו את הדור הבא של מקלטים אופטיים למכשירים ניידים.

אינטגרציה פוטוניקה-חשמלנית

המטרה של miniaturization האולטימטיבי היא לשלב באופן חד-משמעי מעגלים פוטוניים ואלקטרוניים על אותו שבב.זה מבטל את הצורך בנהג נפרד, מגבר ו שבבים לעיבוד דיגיטלי, להפחית באופן דרסטי את שטח לוח וצריכת חשמל. מלאי המשולבים עם מגברי טרנססרנס (AT), שחזור של שעון ונתונים (CDR), ועיבוד דיגיטלי (DSP) כבר הוכחו ב-CM מתקדם.

לדוגמה, נייר 2024 מ- Iec הציג מקלט אופטי 0.5 מ"מ משלב פוטודיודה של גרמניה, TIA, ו- PAM-4 קודר על שבב יחיד 28 nm CMOS, השגת 112 Gbps עם רק 45 מ"ר כוח מוחלט. קומפקטיות כזו חיונית למכשירים עתידיים שחייבים להתמודד עם זרמי נתונים מסיביים של מציאות מוגברת או קישורים אמיתיים של ענן.

Machine Learning in Signal Processing

למידת מכונה (ML) מעצבת מחדש את האופן שבו מקלטים אופטיים מטפלים ברעש ובעיוות, במיוחד בתקציבי הכוח המגבילים של מכשירים ניידים.באופן מסורתי, שוויון ותיקון שגיאות מסתמכים על מסננים סטנדרטיים שנועדו לתנאים הגרועים ביותר. אלגוריתמים יכולים להתאים באופן מותאם את הפרמטרים של מקלט - כגון סף החלטות, הזנה התאמות התאמות הסתברותיותרות, ותזמון - בהתבסס על תנאים בזמן אמת.

רשתות עצביות מורכבות נמוכות המיושמות במרכיבים ייעודיים של חומרה יכולות לשפר את הרגישות על ידי 2-3 dB בהשוואה לעיבוד אותות דיגיטליים קונבנציונלי, ללא הגדלת כוח באופן משמעותי.זה בעל ערך מיוחד בקישורים אלחוטיים ניידים שבהם התערבות אור ותנועת המכשיר יוצרת ערוצי זמן-המשך.

אינטגרציה heterogeneous ומודולים Multi-Chip

לא כל הפונקציות יכולות להיות מובנות בצורה אופטימלית במערכת חומר יחיד.השילוב ההטרוגני - שילוב בעל ביצועים גבוהים ב-P photodiode עם CMOS TIA כוח נמוך, למשל - מאפשר לכל רכיב להיות בנוי בתהליך Native שלו תוך שמירה על טביעת רגל כוללת קטנה.

סוכנות פרויקטי המחקר מתקדמים של ביטחון (DARPA) וקונסוררציה שונים קידמו שילוב heterogeneous באמצעות דיוק איסוף ו--place, הדפסה של מיקרו-העברה, וייבוש חיבורים.טכניקות אלה מניבות מודולים עם ממדים מתחת 1 מ"מ × 1 מ"מ, כולל ממשק אופטי.כפי שעולה של תהליכי ההרכבה אלה יורדת, הם יהפכו להיות קיימא עבור יישומים ניידים בעלי ערך גבוה.

קבלנים גמישים ומתחים

עבור מכשירים לבישים התואמים לגוף האדם, מודולי מקלט קשיחים הם בכושר גרוע. מקלט אופטי גמיש שנבנה על תת-שכבות פולימר או תחמוצת מתכת דקת-סרט יכול להיות כפוף, מתוחה, וממתח ללא הפסד פונקציונליות.מכשירים אלה משתמשים photodetectors אורגני (OPDs) או חיישנים מבוססי-dot-dot-dot-dot-dot-dot-dot כי ניתן להדפיס בטמפרטורות נמוכות על סרטים גמישים.

חוקרים ב-Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)FLT:1 הוכיחו מקלט אופטי גמיש עם רדיוס מכווצ של 5 מ"מ וקצב נתונים של 10 Mbps, מספיק עבור תיקונים רפואיים בעת ביצוע הנוכחי לבלוטים מאחורי מקלטים קשיחים InP, התקדמות מהירה בחומרים אורגניים קוונטיים מציע כי מקלטים גמישים עבור ניטור אווירי זמן קצר לאחר מכן.

יישומים מרכזיים ב- Portable Devices

מקלטים אופטיים זעירים מאפשרים מגוון רחב של יישומים שהיו בעבר לא מעשיים.כאן אנו מדגישים ארבעה תחומים שבהם גודל והפחתה של כוח יש את ההשפעה הגדולה ביותר.

טלפונים חכמים ו Tablets

טלפונים חכמים מודרניים משלבים מקלטים אופטיים מרובים עבור קרבה, זיהוי אור הסביבה, זיהוי פנים (אור ושעה מ-of-טיס), ואפילו תקשורת נתונים אופטית (Li-Fi) המקלט עבור מערכת סמארטפונים Li-Fi חייב להיות קטן מספיק כדי להתאים לצד מודול המצלמה, אך רגיש מספיק כדי לפענח אור ממודולת LED בכמה מטרים מובילים.

עקבו אחרי Health Monitor

לבישים כגון שעונים חכמים, חיישני דם-אוקסגן, וצגים גלוקוז מתמשכים מסתמכים על מקלטים אופטיים כדי לזהות אור משתקף או מועבר באמצעות רקמות.Miniaturization מאפשר לחיישנים אלה להיות מוטבעים באוזנות, טבעות, או כתמים דבקים ללא אי-נוחות. A טיפוסי photoplethysmography (PPG) כיום משתמש מקלט עם אזור פעיל של 0.52, תוך שימוש רק כמה מאות מיקרו-וואט עבור שבבים מדויקים יותר.

חיישנים חכמים וחכמים

משטחים של חיישן אלחוטי ניטור סביבתי, מבנים חכמים, ו-IoT תעשייתי זקוקים לתקשורת אולטרה-נמוכה. מקלטים אופטיים הפועלים ליד- infrared יכולים לספק שיעורי נתונים מ- kbps ל- Mbps עם תקציבי חשמל נמוכים כמו 50 מיקרו-ואט אופטיים זעירים עם תאים סולאריים משולבים יכולים אפילו להיות מופעלים, קציר אנרגיה מאנרגיה מאנרגיה מזווית של אור תוך קבלת נתונים משולבים כגון מקלטים, הם באמת מבטיחים, אשר פותחים סוללות.

LiDAR for אוטונומית Systems

רובוטים ניידים, מל"טים ומערכות לטרף לרכב דורשים מקלטים אופטיים קומפקטיים שיכולים לזהות דופק לייזר חלש על פני טווחים ארוכים. מחסנים בודדים של פוטו-נדרנצ'ה (SPAD) מערכים אופטיים קומפקטיים שיכולים לזהות רק 10 מיקרומטר בקוטר - ניתן לטבול לתוך ניתוח מכסה קטן כדי להשיג הדמיה גבוהה של 100 × 100AD, לדוגמה, מ"מ פחות מ 940 מ"מ ניתן לשלב עם שבב אלקטרונים.

אתגרים ושיקולים ב-Miniaturization

למרות התקדמות מהירה, כמה מהמכשולים נשארים לפני מיני מקלטים אופטיים ממאירים לחלוטין להיות כלוביקוויטים במכשירים ניידים.מהנדסים חייבים לטפל בפיצול תרמי, יעילות כוח, עלות הייצור, ואת ההתאמות הבלתי נמנעות של ביצועים המלווים את הסקאלה.

ניהול ארס

כמו מקלטים אופטיים מתכווץ, החום שנוצר באזור יחידה יכול להגדיל באופן דרמטי.תמונות מהירות גבוהה ו- TIAs dissipate כוח באזור זעיר, המוביל כתמים חמים מקומיים כי degrad ביצועים ואמינות. ניהול תרמי יעיל - באמצעות כיור מיקרו-התחממות, תרמי באמצעות, או שילוב עם המכשיר כיס - הוא מאתגר עיצובים.

כוח חיים סוללה וסוללות

מכשירים ניידים הם מוגבלים כוח.כל מילימטר שנשמר במקלט אופטי מרחיב חיי סוללה או מאפשר תכונות נוספות.Miniaturization לעתים קרובות להפחית את הכניעה וצריכת החשמל של photodiode, אבל האלקטרוניקה התומך (TIAs, equalizers, ו ML accelerators) יכול להוריד את הרווחים האלה.

ייצור מורכבות ועלויות

אינטגרציה של מערכות חומר מרובות (למשל, InP photodiodes על סיליקון CMOS) מוסיפה צעדים ייצור ולהפחית את התשואות. , אג"ח ברמה גבוהה ו- micro-transfer הדפסה השתפרו, אבל העלות של תהליכים אלה חייבת ליפול על ידי סדר גודל להתחרות עם פתרונות סיליקון מונוליטי לחלוטין.

ביצועי מסחר-Offs

השרקים את אזור הגלאי בדרך כלל מפחית את הרגישות ואת כוח קלט מקסימלי. a photodiode קטן יש קיבול נמוך יותר (beneficial עבור רוחב פס) אבל גם תגובה נמוכה יותר רעש צילום גבוה יותר.מעצבים חייב לאזן את האזור נגד הטווח הדינמי הנדרש עבור היישום. לדוגמה, מקלט Li-Fi עשוי צריך לטפל אותות מכמה ננואטים (מעביר) למספר מיקרו-מספקים אוטומטיים).

מסקנה

המיניטורציה של מקלטים אופטיים היא מאמץ הנדסי רב פנים שמושך על ההתקדמות באינטגרציה פוטוניקה, חומרים מדע, אריזה ועיצוב אלגוריתם. מעיגולים פוטוניים משולבים ומוליכים למחצה מתקדמים לאינטגרציה פוטוניקה-אלקטרוניקה ומכשירים למידה-ידע-הידע, הנוף הטכנולוגי מתפתח במהירות.

בעוד אתגרים כגון ניהול תרמי, עלות וביצועים סחר- offs להישאר, המסלול ברור: מקלט אופטי ימשיך להתכווץ, בסופו של דבר להיות כלביקורי ולא פולשני כמו החיישנים המיקרואלקטרוניקה שהם משלימים. כמו התקדמות מחקר וייצור בוגרים, החזון של מקלט אופטי משולב, קומפקטי, גבוה עבור כל מכשיר נייד הוא גם בהישגים.