L'evoluzione dei fotonici di Silicon per i ricevitori ottici di prossima generazione

Silicon fotonics si è spostato dalla curiosità di laboratorio ad una piattaforma commercialmente valida che sostiene moderni interconnessi ottici ad alta velocità. Grazie alla sua integrazione con i componenti ottici complementari maturi, i sistemi di produzione CMOS (MCOS), i fotonici in silicio consentono l'integrazione monolitica o ibrida di componenti ottici, come modulatori, guide d'onda e fotodetetectori, direttamente sui substrati in silicio.

I ricevitori ottici convertono i segnali luminosi in entrata in correnti elettriche. Le loro prestazioni si inseriscono su tre metriche: reattività (sensibilità), larghezza di banda (velocità), corrente scura (rumore). I ricevitori semiconduttori composti da III-V (ad esempio, InGaAs) offrono prestazioni eccellenti ma sono costosi e difficili da integrare con l'elettronica di silicio.

Interruttori in Design Fotodetector ad alta velocità

I fotodetetectori sono il cuore di qualsiasi ricevitore ottico. La domanda di velocità di dati più elevate (100 Gbps per corsia e oltre) ha spinto i ricercatori a ripensare la geometria del rivelatore e la selezione dei materiali.

Rilevatori fotografici Germanium-on-Silicon

Germanium (Ge) è il materiale più ampiamente adottato per i fotodetetectori in fotonici di silicio perché assorbe la luce nella gamma di lunghezze d'onda da 1,3 a 1,6 μm utilizzata in telecomunicazioni e datacom.

I fotodetetectori moderni Ge p-i-n waveguide raggiungono le larghezze di banda 3‐dB di 60–110 GHz ottimizzando lo spessore e l'accoppiamento della guida d'onda intrinseca della regione, che sono abbastanza piccole (area attiva ~10–50 μm2) da posizionare direttamente sulla parte superiore delle guide d'onda in silicio, eliminando la necessità di accoppiamento esterno della fibra.

Riferimento chiave:[] Una dimostrazione del 2023 da parte dei ricercatori di IMEC ha riferito un fotorettore Ge con larghezza di banda di 120 GHz e una reattività di 0,9 A/W a 1550 nm, spianando la strada a 224 Gbps per applicazioni di corsia (IMEC, 2023)][

Fotoprotezioni di materiale bidimensionale

Mentre il germanio domina, materiali bidimensionali (2D) come il grafo e il dichalcogenides di metallo di transizione (TMD) come MoS2 e WSe2 stanno emergendo come candidati per fotodetectori ancora più piccoli ed efficienti. Questi materiali atomicamente sottili offrono una forte interazione leggera-materia, elevata mobilità dei vettori, e la capacità di sintonizzare l'assorbimento tramite la gating elettrostatica.

I fotodetetectori a banda larga superiore a 50 GHz e reattività aumentati a >0.5 A/W attraverso l'integrazione delle guide a onde (Nature Photonics, 2022)]. I fotodetectori basati su TMD promettono configurazioni a bassa stabilità (APD) a causa dei loro forti effetti di tensione

Fotodiodi di valanga (APDs) in Silicon Fotonics

Per applicazioni che richiedono una sensibilità monofotonica, come la riflettrice ottica del dominio e la distribuzione di chiavi quantistiche, gli APD fotonici si stanno guadagnando attenzione. Silicon è un materiale eccellente per APDs nel visibile e quasi infrarosso (fino a ~1.1 μm), ma non assorbe a lunghezze d'onda di telecomunicazione (1.3/1,55 μm).

Integrazione di Photodetectors con Circuiti Fotonici Silicon

Trasferire un fotodetector da un componente standalone ad un elemento integrato on-chip è dove si verifica il reale payoff di miniaturizzazione. L'obiettivo è quello di creare un ricevitore completo, dal gancio di ingresso al amplificatore di transimpedenza (TIA)—su un singolo chip.

Monolitico vs. Integrazione ibrida

L'integrazione monolitica cresce tutti i componenti attivi (lassatori, rivelatori, modulatori) direttamente sul substrato di silicio. Per i ricevitori, questo significa che il fotodetector è formato nello stesso flusso di processo CMOS come circuito elettronico di controllo. Mentre questo approccio minimizza la capacità parassidiotica e semplifica l'imballaggio, richiede una gestione accurata del bilancio termico per evitare di danneggiare l'elettronica sottostante.

L'integrazione ibrida, al contrario, attacca III-V o altro rivelatore si distinguono sul chip fotonico in silicio utilizzando la stampa a micro-transfer o il collegamento a flip-chip. Questo permette l'uso di materiali di rivelatori ottimizzati (ad esempio, InGaAs APDs) mentre beneficiano ancora di guide ad onde di silicio.

Bordo vs. superficie di accoppiamento

I ricevitori compatti si affidano ad un efficiente accoppiamento di luce da una fibra esterna alla guida on-chip. L'accoppiamento del bordo, dove la fibra è allineata ad una sfaccettatura lucida del chip, offre una perdita di inserimento basso (< 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 (Scientific Reports, 2023)]. Questi accoppiamenti sono spesso integrati con convertitori a dimensioni spot per abbinare il campo di modo.

Strutture e architetture dei dispositivi innovative di guida d'onda

Oltre al fotodetector stesso, la guida d'onda che fornisce luce al rivelatore può essere progettata per migliorare le prestazioni e ridurre l'impronta.

Gratings e guide d'onda di slot

Le guide d'onda Subwavelength grating (SWG), composte da segmenti periodici più piccoli della lunghezza d'onda della luce, offrono una dispersione su misura e una riduzione della perdita di dispersione.Quando utilizzate in un accoppiatore direzionale, le strutture SWG possono comprimere la modalità ottica in volumi estremamente piccoli, consentendo ai fotodetectors di aree attive di pochi micron quadrati.

Rilevazione al plasma-innestabile

L'integrazione delle nanostrutture plasmaniche con i fotodetetectori può concentrare la luce molto sotto il limite di diffrazione, aumentando l'assorbimento nelle regioni del rivelatore di scala nanometrica. I ricercatori hanno dimostrato un fotodetector plasmanico integrato al silicio utilizzando una struttura di metallo-semiconductor-metal (MSM) con una reattività di 0,6 A/W e larghezza di banda superiore a 100 GHz

Materiali Oltre il Silicio e il Germanio

Per spingere i confini delle prestazioni, i ricercatori stanno esplorando una più ampia tavolozza di materiali che possono essere aggiunti alla piattaforma fotonica in silicio.

Niobate di Thin-Film (LNOI)

Lo studio di Lithium niobate sull'insulatore (LNOI) offre un forte effetto elettro-ottica (Pockels) e una bassa perdita ottica. Collegando un sottile film di LNOI su un substrato di silicio, i progettisti possono creare modulatori ad alta velocità e, quando combinato con un fotodetector, un ricevitore completo con un'eccellente linearità .

2D Eterostrutture e Perovskites

La famiglia dei materiali 2D van der Waals permette di progettare eterostrutture senza vincoli di corrispondenza reticolare. Uno stack di grafine/MoS2/graphene può agire come fotodetector con alto guadagno (104 A/W) e risposta a banda larga. Tuttavia, la larghezza di banda è spesso limitata a poche centinaia di MHz a causa di stati di trappola lenta.

Ricevitore Circuiti Frontend e Co-Packaging

Un ricevitore compatto non è solo il fotodetector — l'amplificatore di transimpedenza (TIA) e il recupero dei dati dell'orologio (CDR) devono essere miniaturizzati. I chip del ricevitore fotonico del Silicon spesso integrano un photodiode Ge insieme a un CMOS TIA utilizzando un processo standard 28 nm o 45 nm.

L'ottica Co-packaged (CPO) è un'altra tendenza importante: invece di collegare i ricettori ottici in una piastra di interruttore, il motore ottico viene posizionato sullo stesso substrato dell'interruttore ASIC. Questo elimina le lunghe tracce elettriche, riduce il consumo di energia e consente una maggiore densità di banda.

Sfide e considerazioni di affidabilità

Nonostante i rapidi progressi, diversi ostacoli rimangono prima che i ricevitori fotonici compatti di silicio diventino onnipresenti nei dispositivi di consumo.

  • Corrente e rumore diurno:[] I fotodiodi Ge mostrano ancora una corrente oscura più alta rispetto alle alternative III-V, specialmente a temperature elevate. Questo limita la sensibilità per i collegamenti a lungo raggio.
  • Complessità del processo:[] L'integrazione monolitica aggiunge strati di maschera e passaggi termici che possono influenzare le prestazioni del transistor.
  • I dispositivi di guida ondulata sono altamente birefringenti e termo-ottica (Δn/ΔT ~ 1.8×10−4 K−1). Il controllo della temperatura tramite microriscaldatori o design atermico (ad esempio, l'aggiunta di un rivestimento polimerico con coefficiente termo-ottica negativo) aggiunge complessità.
  • Affidabilità:[] Stabilità a lungo termine dei rivelatori Ge-on-Si sotto illuminazione continua ad alta potenza è ancora in fase di caratterizzazione.

Applicazioni Guidare l'innovazione

La spinta per ricevitori ottici più piccoli, più veloci e più economici è alimentata da diversi mercati chiave.

Interconnessione del data center

I data center iperscala richiedono moduli da 800G e 1.6T con bassa potenza per 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 per interruttore di fronte.

5G/6G Frontale

Le stazioni di base wireless utilizzano sempre più collegamenti analogici o digitali RoF (radio-over-fiber) e sono necessari piccoli ricevitori robusti che possono operare in modo affidabile nelle gamme di temperatura esterne (−40 a +85°C).

Lidar e Sensing

I sistemi di rilevamento coerenti si basano su fotodiodi a bassa rumorosità, ad alta banda, che integrano una serie di 32 o 64 ricevitori su un unico stampo riduce i costi e le dimensioni per lo sterzo a fascio solido.

Fotonici quantistici

I rilevatori monofotonici (SNSPDs o APDs) sul silicio sono un blocco chiave per la distribuzione di chiavi quantiche e il calcolo quantistico fotonico.

Tendenze future di Outlook ed emergenti

Guardando avanti, diverse direzioni promettono di ridurre ulteriormente e migliorare ricevitori ottici.

La combinazione di materiali avanzati, nuove tecniche di integrazione e processi di fonderia CMOS scalabili sta avvicinando ricevitori ottici compatti e ad alte prestazioni più vicini alla distribuzione di massa.