De evolutie van Silicon Photonics voor Optische Ontvangers van de volgende generatie

Silicium fotonica is verplaatst van laboratorium nieuwsgierigheid naar een commercieel levensvatbare platform dat de basis vormt van moderne high-speed optische interconnects. Door gebruik te maken van de volwassen complementaire metaal-oxide-semigeleider (CMOS) productie-infrastructuur, maakt silicium fotonica de monolithische of hybride integratie van optische componenten mogelijk, zoals modulatoren, golfgidsen en fotodetectoren die direct op siliciumsubstraten worden gericht. Een centrale focus van recente R&D is de ontwikkeling van compacte, energie-efficiënte optische ontvangers die kunnen voldoen aan de bandbreedte eisen van datacenters, 5G/6G netwerken, en opkomende randcomputers. Dit artikel verkent de belangrijkste innovaties die deze transformatie aansturen, van nieuwe fotodetectorarchitecten architectuur tot geavanceerde integratiesystemen.

Optische ontvangers zetten inkomende lichtsignalen om in elektrische stromen. Hun prestaties hangen af van drie metrics: responsiviteit (gevoeligheid), bandbreedte (snelheid), en donkere stroom (ruis). Traditionele III .V samengestelde halfgeleiderontvangers (bijvoorbeeld InGaAs) bieden uitstekende prestaties, maar zijn duur en moeilijk te integreren met silicium-elektronica. Siliconen fotonica richt zich hierop door gebruik te maken van silicium-compatibele materialen en processen, waardoor kosten en voetafdruk worden verminderd en de schaalbaarheid wordt verbeterd.

Doorbraken in High-Speed Photodetector Design

Fotodetectoren vormen het hart van elke optische ontvanger. De vraag naar hogere datasnelheden (100 Gbps per rijstrook en verder) heeft onderzoekers ertoe aangezet om de meetkunde en materiaalselectie van de detector te heroverwegen.

Germanium-op-Silicon Fotodetectoren

Germanium (Ge) is het meest algemeen geaccepteerd materiaal voor fotodetectoren in silicium fotonica omdat het licht absorbeert in de 1.3 .6 μm golflengte bereik gebruikt in telecom en datacom. Vroege Ge-on-Si fotodetectoren leed aan hoge donkere stroom als gevolg van roosteren mismatch met silicium. Vooruitgang in epitaxiale groei . zoals selectieve gebied groei , graded buffer lagen , en thermische gloeien . hebben drastisch verminderde defecte dichtheden , waardoor detectoren met donkere stromen onder 100 nA en . .vities groter dan 0,8 A / W .

Belangrijker is dat moderne Ge p-i-n waveguide fotodetectors 3-dB bandbreedten van 60

Kenmerk: Een demonstratie van 2023 door onderzoekers van IMEC meldde een fotodetector van Ge met een bandbreedte van 120 GHz en een responsiviteit van 0,9 A/W bij 1550 nm, die de weg vrijmaakt voor 224 Gbps per rijstrooktoepassingen (IMEC, 2023].

Tweedimensionale materiaalfotodetectoren

Terwijl germanium domineert, komen tweedimensionale (2D) materialen zoals grafeen en overgangsmetaal dichhalcogeniden (TMD's) zoals MoS2 en WSe2 op als kandidaten voor nog kleinere en efficiëntere fotodetectoren. Deze atomaire dunne materialen bieden sterke licht-materie interactie, hoge dragermobiliteit, en de mogelijkheid om absorptie af te stemmen via elektrostatische vering. Graphene fotodetectoren, bijvoorbeeld, kunnen werken over een breed golflengtebereik (zichtbaar tot midden-infrarood) met responstijden onder een paar picoseconden. Hun belangrijkste nadeel lage intrinsieke absorptie (~2,3% per monolaag) .Kan worden overwonnen door ze te integreren met plasmonische antennes of resonant cavities.

Recente werkzaamheden hebben aangetoond dat fotodetectors met een bandbreedte van meer dan 50 GHz en een responsiviteit van >0,5 A/W via golfgeleidingsintegratie (Natuurfotonica, 2022)]. Op TMD gebaseerde fotodetectoren beloven voor lawinefotodiode (APD) configuraties vanwege hun sterke excitonische effecten, die hoge winst kunnen opleveren bij lage spanningsspanningen. Er blijven echter uitdagingen bestaan in grote ruimte, defectvrije groei en stabiliteit op lange termijn.

Avalanche Photodiodes (APD's) in Silicon Photonics

Voor toepassingen die enkelfotongevoeligheid vereisen, zoals optische tijd-domein reflectometrie en quantumsleutelverdeling, krijgen siliciumfotonische APD's aandacht. Silicium zelf is een uitstekend materiaal voor APD's in de zichtbare en bijna-infrarood (tot ~1.1 μm), maar het neemt niet op bij telecom golflengten (1.3./1.55 μm). Onderzoekers hebben daarom afzonderlijke absorptie- en ladingsvermenigvuldiging (SACM) structuren ontwikkeld met behulp van een Ge absorptielaag en een Si vermenigvuldigingsregio. Deze Ge/Si APD's kunnen gain-bandbreedte producten bereiken over 200 GHz en lage overmatige geluidsfactoren (IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2022)[]. Compacte APD-ontwerpen worden nu monolithisch geïntegreerd in ontvangerfrontenden.

Integratie van fotodetectors met Silicon Photonic Circuits

Het verplaatsen van een fotodetector van een standalone component naar een on-chip geïntegreerd element is waar de echte miniaturisatie uitbetaling optreedt. Het doel is om een complete ontvanger te creëren van input rasting koppeling tot transimpedantie versterker (TIA) .

Monolithische vs. Hybride integratie

Monolithische integratie groeit alle actieve componenten (lasers, detectoren, modulatoren) direct op het siliciumsubstraat. Voor ontvangers betekent dit dat de fotodetector wordt gevormd in dezelfde CMOS processtroom als de elektronische regelkring. Hoewel deze aanpak parasitaire capaciteit minimaliseert en verpakking vereenvoudigt, vereist het zorgvuldige thermische budgetbeheer om beschadiging van de onderliggende elektronica te voorkomen. Recente gieterijaanbiedingen (bijvoorbeeld van GlobalFoundries, Tower Semiconductor) bieden nu volledig monolithische silicium fotonica platforms met geïntegreerde Ge fotodiodes en hoge snelheid TIA's.

Hybride integratie, daarentegen, hecht III

Rand vs. oppervlakte koppeling

Compacte ontvangers vertrouwen op een efficiënte koppeling van licht van een externe vezel aan de on-chip golfgids. Randkoppeling, waar de vezel is uitgelijnd op een gepolijste facet van de chip, biedt lage inbrenging verlies (< 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 (Wetenschappelijke rapporten, 2023). Deze koppelingen zijn vaak geïntegreerd met spot-size converters om het mode veld te passen.

Innovatieve Waveguide-structuren en apparaatarchitectuur

Naast de fotodetector zelf, kan de golfgids die licht levert aan de detector worden ontworpen om de prestaties te verbeteren en de voetafdruk te verkleinen.

Subgolflengte roosters en Slot Waveguides

Subgolflengte raster (SWG) golfgidsen, bestaande uit periodieke segmenten kleiner dan de golflengte van het licht, bieden op maat verspreid en verminderd verstrooiend verlies. Wanneer gebruikt in een directionele koppeling, SWG structuren kunnen comprimeren de optische modus in uiterst kleine volumes, waardoor fotodetectors met actieve gebieden van slechts een paar vierkante microns. Slot golfgidsen, die het licht beperken in een lage-index kloof tussen twee silicium rails, zijn gecombineerd met geïntegreerde fotodetectoren om hoge respons te bereiken in een record-klein apparaat voetafdruk (~10 μm2).

Plasmonische-verbeterde detectie

Het integreren van plasmonische nanostructuren met fotodetectoren kan licht ver onder de diffractiegrens concentreren, waardoor de absorptie in nanometerschaaldetectorregio's wordt gestimuleerd. Onderzoekers hebben een silicium-geïntegreerde plasmonische fotodetector aangetoond met behulp van een metaal-semigeleider-metaal (MSM) structuur met een responsiviteit van 0,6 A/W en bandbreedte boven 100 GHz (Nature Communications, 2021)[]. De metalen contacten in dergelijke ontwerpen werken als elektroden en plasmonische antennes, waardoor de totale apparaatvoetafdruk tot minder dan 1 μm wordt verminderd2. Terwijl ohmische verliezen in het metaal de efficiëntie kunnen beperken, is het werk met laagverliesmetalen (zoals zilver- of koperbekledingen bekledingen) veelbelovend.

Materialen voor de behandeling van silicium en germanium

Om de prestatiegrenzen te verleggen, verkennen onderzoekers een breder palet aan materialen die aan het siliconen fotonische platform kunnen worden toegevoegd.

Dunne-Film Lithium Niobaat (LNOI)

Lithiumniobaat op een isolatiemiddel (LNOI) biedt een sterk elektro-optisch (pokkels) effect en een laag optisch verlies. Door een dunne LNOI-film op een siliciumsubstraat te binden, kunnen ontwerpers hoge snelheidsmodulatoren creëren en, in combinatie met een fotodetector, een complete ontvanger met een uitstekende lineariteit. Recente demonstraties van LNOI-modulatoren met 100 GHz bandbreedte geven aan dat het platform toekomstige 224 Gbps PAM-4 links (Optica, 2023]] ] kan ondersteunen. Voor ontvangers blijft de uitdaging het integreren van efficiënte fotodetectoren op dezelfde chip omdat LNOI zelf een slechte absorptie heeft in het bijna-infrarood. Hybride benaderingen met behulp van Ge of grafeendetectoren worden bestudeerd.

2D Heterostructuren en Perovskites

De familie van 2D van der Waals materialen maakt het designer heterostructuren zonder roostermatching beperkingen mogelijk. Een stack van grafeen/MoS2/graphene kan fungeren als een fotodetector met hoge winst (104 A/W) en breedbandrespons. Echter, bandbreedte is vaak beperkt tot een paar honderden MHz als gevolg van trage valtoestanden. Oplossingen omvatten het gebruik van hoge mobiliteit grafeen contacten en korte-kanaal apparaten. Ondertussen, perovskite-gebaseerde fotodetectoren (bijv. CsPbBR3 quantum dots) hebben aangetoond uitstekende respons in het zichtbare bereik en worden nu onderzocht voor bijna-infrarood door bandgap tuning. Hun oplossing procesbaarheid kan drastisch lagere fabricagekosten, maar inkapseling is nodig om vochtdegradatie te voorkomen.

Frontend circuits en co-packaging voor ontvangers

Een compacte ontvanger gaat niet alleen over de fotodetector .De transimpedantie versterker (TIA) en klok-data recovery (CDR) moet ook worden geminiaturiseerd . Silicium fotonische ontvanger chips integreren vaak een Ge fotodiode samen met een CMOS TIA met behulp van een standaard 28 nm of 45 nm proces . Het TIA . s ontwerp moet evenwicht krijgen , bandbreedte en lawaai . Recente innovaties omvatten ductor-gesprekken TIA's die bandbreedte tot 70 GHz te verlengen terwijl verbruik minder dan 20 mW per kanaal . (IEE Solid-State Circuits Brieven , 20] ].

Co-packaged optics (CPO) is een andere belangrijke trend: in plaats van optische transceivers in een schakelplaat te stoppen, wordt de optische motor op hetzelfde substraat geplaatst als de schakelaar ASIC. Dit elimineert lange elektrische sporen, vermindert het energieverbruik en maakt een hogere bandbreedtedichtheid mogelijk. In CPO-ontvangers worden compacte silicium fotonische MIC's (multi-chip modules) met geïntegreerde fotodetectoren gebonden met behulp van microbump technologie. Intel, Broadcom en anderen hebben al CPO oplossingen voor 51.2 Tbps switches aangekondigd (Intel, 2023]].

Uitdagingen en Betrouwbaarheidsoverwegingen

Ondanks snelle vooruitgang blijven er nog verschillende obstakels bestaan voordat compacte silicium fotonische ontvangers overal in consumentenapparaten worden gebruikt.

  • Donkere stroom en geluid: Ge fotodiodes vertonen nog steeds hogere donkere stroom dan III
  • Process complexity: Monolithische integratie voegt maskerlagen en thermische stappen die de transistorprestaties kunnen beïnvloeden. Stichters moeten de optische prestaties met parametrische opbrengst van CMOS-elektronica in evenwicht brengen.
  • Polarisatie en temperatuurgevoeligheid: Silicon waveguide-apparaten zijn zeer birefringerend en thermo-optisch (Δn/ΔT ~ 1,8×10−4 K−1). Temperatuurregeling met behulp van micro-verhitters of athermische ontwerp (bijvoorbeeld, het toevoegen van een polymeer bekleding met negatieve thermo-optische coëfficiënt) voegt complexiteit toe.
  • Betrouwbaarheid: Lange termijn stabiliteit van Ge-on-Si detectoren onder continue high-power verlichting wordt nog steeds gekenmerkt. Vooruitgang in de hermetische verpakking en stress-beperkende bufferlagen is veelbelovend, maar nog niet volledig bewezen volgens Telcordia normen.

Toepassingen Rijden Innovatie

De druk voor kleinere, snellere, goedkopere optische ontvangers wordt gevoed door verschillende belangrijke markten.

Interconnectie datacenter

Hyperschaal datacenters vereisen 800G en 1.6T modules met een laag vermogen 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 switch-faceplate.

5G/6G Fronthaul

Draadloze basisstations gebruiken steeds vaker analoge of digitale RoF (radio-over-vezel) koppelingen. Kleine, robuuste ontvangers die betrouwbaar kunnen werken in buitentemperatuurbereiken (−40 tot +85°C) zijn nodig. Silicium fotonica biedt de mogelijkheid om de ontvanger te integreren met de analoge-naar-digitale converter op dezelfde chip.

Lidar en sensing

Automotive en industriële lidar werken bij 1550 nm oogveilige golflengten profiteren van de compacte ontvanger arrays die silicium fotonica mogelijk maakt. Coherente detectieschema's zijn afhankelijk van een laag lawaaierige, hoge bandbreedte fotodiodes. Het integreren van een reeks van 32 of 64 ontvangers op een enkele matrijs vermindert de kosten en de grootte van de bundelbesturing in vaste toestand.

Kwantumfotonica

Enkel fotonendetectoren (SNSPD's of APD's) op silicium zijn een belangrijke bouwsteen voor de distributie van quantumsleutels en fotonische quantumcomputing. Silicium fotonische ontvangers ontworpen voor lage jitter en hoge detectie-efficiëntie worden ontwikkeld in samenwerking met nationale laboratoria.

Vooruitkijkend, beloven verschillende richtingen om de optische ontvangers verder te krimpen en te verbeteren.

  • Multi-lane golflengtedeling multiplexen (WDM): Integreren van een reeks van micro-ring resonatorfilters met fotodetectoren op dezelfde chip creëert een zeer compacte WDM-ontvanger. IBM heeft aangetoond dat een 16-lane ontvanger werkt op 40 Gbps per rijstrook met een totale die area van slechts 1,2 mm2 (IBM Research, 2022) .
  • Machine optimalisatie met leermogelijkheden: Neurale netwerken worden gebruikt om nieuwe golfgeleidingsstructuren en fotodetectorgeometrieën te ontwerpen die een hogere bandbreedte of een lagere donkere stroom bereiken dan door mensen ontworpen tegenhangers. Inverse ontwerpalgoritmen kunnen compacte roosterkoppels en spot-size converters automatisch genereren.
  • Active uitlijnvrije verpakking: Zelfuitlijnende vezelinterfaces met behulp van V-groeven en microlenzen verminderen de montagekosten. Sommige ontwerpen bevatten polymeergolfgidsen die direct op de fotonische siliconenmatrijs kunnen worden afgedrukt.
  • Niet-lineaire siliciumfotonica: Het exploiteren van het Kerr-effect in high-Q microresonatoren kan op-chip optische frequentiekammen produceren die dienen als multigolflengtebronnen voor ontvangerarrays. Zulke kammen kunnen worden geïntegreerd met fotodetectoren om een complete

De combinatie van geavanceerde materialen, nieuwe integratietechnieken en schaalbare CMOS-gieterijprocessen brengt compacte, hoog presterende optische ontvangers dichter bij massale inzet. Naarmate de datasnelheden blijven stijgen en de energiebudgetten worden aangescherpt, zullen deze innovaties van cruciaal belang zijn voor het behoud van het groeitraject van de wereldwijde communicatiecapaciteit.