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광 수신기의 진화 : Graphene Photodetectors는 Disruptive Technology로
광 통신 시스템의 높은 데이터 전송 속도와 낮은 전력 소비에 대한 relentless 수요는 광검출을위한 새로운 재료로 구동되었습니다. III-V 반도체 또는 게르마늄을 기반으로하는 컨벤션 광검출기는 대역폭, 스펙트럼 범위 및 통합 유연성 측면에서 성능 플래너를 도달했습니다. 그래 핀, 탄소의 단일 원자 층으로 구성된 2 차원 재료는 차세대 광 수신기에 대한 변형 플랫폼으로 출현했습니다. 그것의 뛰어난 뛰어난 유연성, 기존의 광 통신 시스템에서 매우 높은 수준의 전자 레인지를 사용하여 기존의 광 통신 시스템의 스펙트럼을 비교하여 기존의 광 통신 시스템의 성을 높일 수 있습니다.
그래핀의 독특한 Optoelectronic 속성 이해
Graphene의 밴드 구조는 UV에서 terahertz 주파수에 광자의 흡수를 가능하게하는 Dirac 점에 0 개의 붕대를 특징으로합니다. 흡수 계수는 기존 반도체와 비교된 디스코트의 층당 약 2.3%이지만, 층을 겹쳐 쌓이거나 plasmonic 및 파guide 구조와 통합 할 수 있습니다. Crucially, graphene는 200,000 cm2/V·s를 초과하는 고가용성 이동성을 전시하고, 광학적인 광학적인 붕대에 있는 매우 유동성 이동성을 허용합니다. 또한, 흑연은 광학적인 붕대에 있는 광학적인 붕대를 위한 광학적인 광학적인 붕대를 허용할 수 있습니다.
주요 성과 미터: 책임, 대역폭 및 소음
광 수신기에 사용되는 모든 광검출기, 세 미터 도미니트 시스템 설계: 책임 (A/W), 대역폭 (Hz), 및 잡음 동등한 힘 (NEP). Graphene 기반 광검출기 (GBPDs)는 100 GHz 이상의 인trinsic 대역폭을 입증했으며, 많은 기존의 검지기를 능가합니다. 그러나, pristine graphene의 책임은 저 흡수 효율 (최대 ~ 6 %)에 의해 제한됩니다. (몇 겹으로 곱한 광검출기와 같은 광검출기와 같은 하이브리드 기술자가 있습니다.)
| Parameter | Typical Graphene Detector | Conventional (InGaAs/Ge) |
|---|---|---|
| Responsivity (A/W) | 0.001 – 1 (without gain) | 0.5 – 1.0 |
| Bandwidth (3dB) | 50 – 200 GHz | 10 – 60 GHz |
| Dark Current | Low (μA scale) | Low to moderate |
| Spectral Range | UV to THz | Typically 900-1700 nm |
| Temperature Range | Broad (cryogenic to 400K) | Limited by material |
Optical Receivers용 그래핀 기반 광검출기 구축
몇몇 장치 건축술은, 다른 수신기 신청을 위해 적당한 특정한 무역 떨어져에 각각 설명되었습니다. 일반적인 디자인은 광전도 발견자, 붙박이 분야 (예를들면, 금속 그래 핀 금속, 그래 핀 p n 접합) 및 광전도 포함합니다. 더 진보된 윤곽은 광흡수와 흑연 안테나, 메타포스, 또는 마이크로캐비티를 가진 graphene를, 또는 가벼운 흡수 및 tailor 경적 응답을 강화하기 위하여 통합합니다.
금속 그래 핀 금속 (MGM) 광검출기
MGM 광검출기에서 그래 핀 채널은 두 개의 금속 접촉을 연결합니다. 금속 그래 핀 인터페이스의 Schottky 장벽은 광진 전기 홀 쌍을 분리하는 내장 전기 필드를 만듭니다. 비대칭 장벽 높이는 0 바이스에서 광 전류를 생성하고 낮은 바이스에서 낮은 암흑 전류 및 높은 책임감을 제공합니다. 이 검출기는 표준 lithography를 사용하여 제작하는 것이 간단하고 실리콘 포토닉스와 호환됩니다. 그러나, 낮은 퀀텀의 반사율과 함께 반사율이 증가 할 수 있습니다.
그래핀 실리콘 하이브리드 광검출기
기존 실리콘 포토다이오드와 함께 흑연을 결합하면 흑연의 고속 캐리어의 이점을 추가하면서 성숙 실리콘 광합성을 활용합니다. 그래 핀 실리콘 슐츠키 포토다이오드에서 흑연은 투명도와 광활성 레이어로 모두 작용합니다. 그래 핀-Si 인터페이스에서 내장 된 잠재력은 효율적으로 캐리어를 분리하고 20 pisings 이하의 30 % 및 응답 시간을 초과하는 내부 양자 효율성을 달성합니다. 이 장치는 현재 페놀-Si 인터페이스에 대한 핵심 통합을 위해 입증되어 있으며, 현재는 짙은 인터페이스를 최소화하고 있습니다.
Plasmonically 강화 된 그래 핀 검출기
연구원들은 낮은 흡수를 갖기 위해 흑연에 금속 나노 구조 (예 : nanoantennas, gratings)를 사용하여 물질의 미세한 지방 현장과 흡수 효율을 극적으로 증가시킨 물질로 인한 손상을 최소화합니다. Plasmonic 증착은 10-100×에 의한 효과적인 반응을 높일 수 있으며, 향상된 광 흡수가 아니라 캐리어 역동적 인 성이 아니라 광학적 인 흡수가 가능합니다. 예를 들어, 금 활의 배열은 은색 또는 은색의 반사가 거의 70 %가 넘는 파장을 흡수하는 데 중요한 역할을합니다.
성능 Bottlenecks 및 현재 연구 방향
급속한 실험실 진도에도 불구하고, 몇몇 도전은 GBPDs의 앞에 기존하는 기술을 상업적인 광학적인 수신기에 대체할 수 있어야 합니다. 1 차적인 문제점은 흡수와 대역폭 사이 무역 떨어져 남아 있습니다: 흡수를 증가하기 위하여, 1개는 전형적으로 장치 지역을 증가하거나 수용량을 증가시키고 대역폭을 감소시키기 위하여 다수 층을 이용합니다. plasmon polaritons를 주인에게 유일한 능력과 같은 잡종 접근은 이, 그러나 정확한 nanopatterning 및 진보된 제작 기술을 필요로 합니다.
- 낮은 흡수(모노레이어당 ≤2.3%)는 기본 한계를 유지한다; 다중층 그래 핀은 흡수를 증가하지만 캐리어 이동성을 감소시키는 interlayer 흩어져 도입한다.
- 대형 종합], 화학적 증착(CVD)을 통해 고품질, 균일 한 그래 핀의 경우 곡물 경계, 주름, 오염, 그리고 장치 성능 향상 같은 문제.
- 유전체 플랫폼(예: 실리콘 질화물, 실리콘-온 절연체)를 이용한 통합은 흑연의 인트라스트리닉 특성을 보존하기 위해 최적화된 전송 방법 및 캡슐화가 필요합니다.
- 열전 관리는 그래 핀의 열전도가 높기 때문에 고출력 광 수신기에 중요한 것이 되지만 원자 당 작은 열용량은 강렬한 연속파 조명에서 급속한 국부적으로 난방을 일으킬 수 있습니다.
최근 연구는 유망한 해결책을 입증했습니다. 예를 들어, ]2018 종이에 ]Nature Photonics]는 0.5 A/W 책임과 50 GHz 대역폭을 달성하는 실리콘 질화물 파 가이드와 통합된 그래 핀 광검출기 보고했습니다. 에서 또 다른 접근 방식은 Quantum Electronics[FLT:FLT:5]에서 선택한 주제의 그래프로 ] 그래프는 이 그래프의 그래프를 나타내는 대역폭을 가진 10 MHz 대역폭을 가진 제한적인 대역폭을 보여주었습니다.
Optical receivers의 그래 핀 광검출기를위한 미래 전망
의 역할은 미래 광 수신기에 GBPDs의 확신을 보인다, 하지만 상업화 경로는 제조 및 시스템 수준의 통합 문제를 해결하는 데 필요. 가장 가능성이 초기 배포는 고속 단거리 상호 연결 (<1 km) 데이터 센터에 사용되는 사람들, 대역폭 밀도 및 비트 당 에너지는 파라마운트. 여기, 그래 핀의 잠재적인 0-biased 작업 (제거 전력 공급) 및 매우 효율적인 콤퓨트 풋프 트레인을 제공 할 수 있습니다. , 그리고 매우 효과적인 포괄적인 구성 요소는 일반적으로 , GBPDs의 균형은 일반적으로 갖는 매우 중요한 요소입니다.
기존 광케이블 통신 외에도 그래 핀 광검출기가 새로운 응용 분야에 문을 열었습니다. 유연한 기판에 통합 된 광 회로, 광학 심박 센서를 사용하여 착용 가능한 건강 모니터 및 보안 및 비 파괴적 인 테스트를 위해 Terahertz 이미징 시스템도 있습니다. 그래 핀의 기계적 유연성과 고속 성능의 조합은 곡선 표면 또는 섬유에 내장 될 수있는 적합 광 수신기를 가능하게합니다.
Lab에서 Fab로의 로드맵
여러 회사 및 연구 consortia는 확장 가능한 그래 핀 생산 및 장치 통합에 적극적으로 종사하고 있습니다. 유럽 연합의 그래 핀 주력 프로그램은 산업 파트너십을 가속화하고 있으며, 전자 품질 비교를 통해 웨이퍼 스케일 CVD 그래 핀의 최근 데모는 hurdles 제조를 극복 할 수 있다는 것을 제안합니다. 일단 신뢰할 수있는 전송 및 도핑 제어가 달성되면 그래 핀 광검출기는 향후 5 년 이내에 파일럿 생산을 입력 할 수 있습니다.
예술의 상태의 종합적인 검토를 위해, ]2021 ]Nature Communications]]는 graphene photonics와 그것의 전망의 우수한 개요를 제공합니다. 게다가, ] 물자 Chemistry C의 Journal는 CMOS 백엔드 선행과 광검출기 통합에 다수 일 간행했습니다.
관련 기사
Graphene 기반 광검출기는 기존 반도체의 재료 한계를 넘어 광 수신기 설계의 패러다임 이동을 나타냅니다. 속도, 스펙트럼 범위 및 통합 유연성에 대한 본질적인 이점을 통해, 그들은 더 빠르고 에너지 효율적이고 더 적응할 수있는 차세대 통신 시스템을 가능하게하는 것이 좋습니다. 중요한 엔지니어링 과제가 유지되는 동안 특히 흡수 효율과 제조 확장성, 재료 과학 및 장치 엔지니어링의 진행 속도는 수십 년 동안 광 수신기에 영향을 미칠 수 있지만 광 수신기의 광 수신기는 광 수신기의 첫 번째 상업적 인 데이터 센터에 영향을 줄 수 있지만 광 수신기의 광 수신기는 광 수신기의 광 수신기에 영향을 줄 수 있습니다.