Введение в интегрированные оптические схемы приемника

Интегрированные оптические схемы приемника являются важными строительными блоками в современных высокоскоростных системах связи и зондирования. Эти схемы преобразуют входящие оптические сигналы - обычно из волоконно-оптического кабеля или линии свободного пространства - в электрический ток или напряжение, которое может быть обработано цифровой электроникой. Интеграция фотоприемников, усилителей трансимпеданса, ограничивающих усилителей и схем восстановления данных на одной подложке позволила резко сократить размер, потребление энергии и затраты. По мере роста спроса на широкополосные - голодные приложения, такие как беспроводные 5G / 6G, автономные транспортные средства и высокопроизводительные вычисления, потребность в компактных оптических приемниках с низким энергопотреблением, которые могут работать со скоростью передачи данных, превышающей 100 Гбит / с на канал, никогда не была больше. Недавние инновации в кремниевой фотонике, передовых детекторных материалах и совместном проектировании с CMOS-электроникой толкают оболочку производительности, уменьшая площадь до размеров, подходящих для портативных и носимых устройств.

Двигатель к миниатюризации

Неустанное стремление к сокращению электронных и фотонных систем обусловлено несколькими перекрывающимися силами. Производители бытовой электроники хотят более тонкие смартфоны и планшеты, которые могут обрабатывать виртуальную реальность и потоковое 8K видео без перегрева. Биомедицинским инженерам нужны имплантируемые датчики, которые могут контролировать глюкозу крови или нейронную активность с минимальной мощностью и размером. Промышленные IoT-устройства должны работать годами на батарее с монетными ячейками при сохранении надежной связи в суровых условиях. Во всех этих случаях дискретные оптические компоненты слишком велики и энергоемки. Интегрированные оптические схемы приемника предлагают путь вперед: комбинируя оптическое обнаружение с усилением и обработкой сигналов на одном чипе, они устраняют громоздкую упаковку, уменьшают паразитную емкость и снижают энергопотребление. Однако миниатюризация требует не только фундаментальных достижений в материаловедении, физике фотонных устройств и архитектуре схем. Следующие разделы исследуют ключевые технологические строительные блоки, которые делают эти миниатюрные приемники возможными, недавние прорывы, которые ускорили прогресс, и проблемы, которые остаются для

Ключевые технологические строительные блоки

Платформа Silicon Photonics

Кремниевая фотоника стала доминирующей платформой для интегрированных оптических приемников, поскольку она использует ту же самую комплементарную инфраструктуру изготовления оксида металла (CMOS), используемую для микроэлектроники. Эта совместимость предлагает высокую выходную мощность, низкую стоимость и способность монолитно интегрировать фотонные и электронные функции на одном кристалле. Волновые проводники, сплиттеры, спариватели и модуляторы могут быть вытравлены в слой кремния-на-изоляторе (SOI), в то время как германий избирательно выращивается для формирования высокоскоростных фотодетекторов. Зрелость кремниевых литейных заводов означает, что сложные схемы могут быть прототипированы и массово произведены с быстрым оборотом. Недавние работы продемонстрировали кремниевые фотонные приемники с чувствительностью ниже -20 дБм для потоков данных 25 Гбит/с, используя только несколько милливатт электроэнергии. Например, исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре сообщили о полностью интегрированном кремниевом фотонном приемнике для работы со скоростью 100 Гбит/с PAM-4, который занимает менее 0,5 мм2

Высокоскоростные фотодетекторы

Фотодетекторы являются фронтальным компонентом, который определяет конечную скорость и чувствительность оптического приемника. Традиционные пин-фотодиоды, изготовленные из соединений III-V, таких как InGaA, предлагают высокую пропускную способность, но дороги для интеграции на кремнии. Фотодетекторы германия, выращенные непосредственно на кремнии, стали рабочей лошадкой для интегрированных приемников, достигая полосы пропускания выше 50 ГГц с отзывчивостью 0,8 А/Вт при 1550 нм. Инновации, такие как волновод-связанные структуры Ge-pin и лавинообразные фотодиоды (APD) с отдельными областями поглощения-заряда и мультипликации, продвигают скорость передачи данных за пределы 100 Гбит/с. Более экзотические материалы, такие как графен и квантовые точки, изучаются для еще более быстрой работы, хотя остаются практические проблемы интеграции. Обзор 2023 года в Nature Photonics , выделенный CMOS-интегрированный фотодетектор Ge, который достиг 112

Низкоэнергетический дизайн схемы

Электронные схемы, которые следуют за фотоприемником — обычно усилитель трансимпеданса (TIA) и ограничивающий усилитель — должны работать с высоким коэффициентом усиления при потреблении минимальной мощности. Расширенные узлы CMOS (28 нм и ниже) позволяют конструкциям TIA, которые достигают пропускной способности более 1 ТГц Ом с рассеиванием мощности ниже 10 мВт. Такие методы, как индуктивный пик, обратная связь шунта и топологии каскада, используются для расширения полосы пропускания без пропорционального увеличения мощности. Кроме того, цифровое выравнивание, выполняемое в бэкэнде приемника, может компенсировать эффекты ограничения полосы пропускания фотоприемника и TIA, позволяя использовать более низкие мощности фронтальных конструкций. Сочетание инноваций на уровне схем и агрессивного масштабирования CMOS снизило энергию на бит для оптических приемников до менее 0,5 пДж/бит, что делает их жизнеспособными для устройств с питанием от батареи. Всесторонний обзор низкоэнергетических архитектур TIA для оптических соединений доступен из IEEE Solid-State Circuits Society (]IEE

Повышение чувствительности через ко-дизайн

Чувствительность — минимальная оптическая мощность, необходимая для работы без ошибок, — имеет решающее значение для приложений, где принятый сигнал слаб, таких как дальнемагистральные волоконные линии или оптическая связь в свободном пространстве. Интегрированные приемники теперь обычно достигают чувствительности ниже — 20 дБм при 25 Гбит/с благодаря тщательной кооптимизации емкости фотоприемника, входного импеданса TIA и шумовой фигуры. Снижение темного тока в детекторах Ge в сочетании с отменой смещения и автоматическим контролем усиления обеспечивает улучшенную производительность на несколько децибел за последние пять лет. Кроме того, использование лавинного усиления в кремниево-германийных APD обеспечивает внутреннее умножение, которое может улучшить отношение сигнала к шуму на 5-10 дБ без увеличения шумового вклада TIA. Эти улучшения чувствительности позволяют работать в условиях низкой освещенности, которые ранее были невозможны для монолитного приемника, открывая новые приложения в оптическом зондировании и распределении квантовых ключей.

Последние прорывы в интегрированных приемниках

Соинтеграция с CMOS Electronics

Одним из наиболее значительных последних достижений является полная монолитная интеграция оптических схем приемника с передовой логикой CMOS. Более ранние поколения обычно полагались на отдельные фотонные чипы, связанные с электронными чипами, которые ввели паразитную индуктивность и ограниченную производительность. Сегодня литейные заводы предлагают фотонные CMOS-процессы, которые включают как фотонные устройства (волновые направляющие, соединители, детекторы Ge), так и высокоскоростные транзисторы в одном кремниевом кристалле. Эта интеграция позволяет размещать петли обратной связи между детектором и TIA с минимальной длиной соединения, увеличивая пропускную способность и уменьшая мощность. В 2024 году команда из imec продемонстрировала приемник 200 Гбит/с с использованием 45-нм CMOS-фотонного узла со всеми компонентами, включая фотодетектор Ge, четырехступенчатый TIA и восстановление часов, занимая только 0,25 мм2. Энергоэффективность была зарегистрирована на 0,3 пДж / бит, установив новый отраслевой эталон.

Детекторы Germanium-on-Silicon выталкивают 100 Гбит/с на канал

Фотодетекторы германия стали стандартом для 100 Гбит/с на канал благодаря улучшениям эпитаксиального роста и конструкции устройства. Введя тонкий слой силикон-германийной (SiGe) классификации между волноводом кремния и чистым поглотителем германия, исследователи уменьшили темный ток до уровня ниже 100 нА при сохранении чувствительности 0,85 А/Вт при 1310 нм. Полоса пропускания этих детекторов теперь обычно превышает 60 ГГц, и в сочетании с пользовательским TIA полные цепи приемников могут работать без ошибок при 112 Гбит/с с модуляцией PAM-4. Заметная демонстрация от Hewlett-Packard Labs в 2023 году интегрировала массив из восьми таких приемников в компактный чип 2×2 мм, поддерживая совокупные скорости передачи данных 800 Гбит/с для оптических соединений в центрах обработки данных.

Плазмонические структуры для сверхкомпактного обнаружения

Более радикальный подход к миниатюризации использует поверхностные плазмонные поляритоны — электромагнитные волны, ограниченные металлодиэлектрическими интерфейсами — для концентрации света в субволновых объемах. Плазмонические фотоприемники могут быть на порядки меньше обычных, с активными областями всего в несколько сотен нанометров. Недавние работы в Швейцарском федеральном технологическом институте (ETH Zurich) продемонстрировали плазмонный приемник, который интегрирует детектор Au-nanogap с CMOS TIA на кремниевой подложке, достигая операции 40 Гбит/с в области всего 1 мкм2. В то время как отзывчивость в настоящее время ниже, чем у детекторов Ge, крайняя компактность может позволить массивные массивы приемников на одном чипе для таких приложений, как безлинзовая визуализация и оптические межсоединения высокой плотности. Подход все еще находится на стадии исследования, но ранние результаты показывают, что плазмонные приемники могут стать практичными в течение следующих пяти лет.

Проблемы масштабирования оптических приемников

Термический менеджмент

Поскольку оптические схемы приемника сжимаются и работают на более высоких скоростях, плотность тепла становится значительной проблемой. Фотодетектор и TIA рассеивают энергию на очень маленькой площади - часто ниже 0,01 мм2 - что приводит к ухудшению производительности и надежности. Традиционное пассивное охлаждение (тепловыводители, тепловые сквозняки) часто недостаточно для плотно интегрированных массивов. Исследователи изучают активные методы охлаждения, такие как микрожидкие каналы и термоэлектрические охладители, интегрированные непосредственно в кремниевую подложку. Кроме того, проектировщики схем принимают динамическое напряжение и частотное масштабирование для снижения мощности, когда приемник простаивает или получает низкоскоростной трафик. Преодоление тепловых ограничений будет иметь важное значение для масштабирования интегрированных приемников до 1 Тбит/с агрегата и за его пределами.

Электрически-оптическое комплексное проектирование

Взаимозависимость оптических и электрических областей означает, что приемник не может быть оптимизирован, рассматривая фотонику и электронику отдельно. Емкость фотоприемника, частотная реакция и шум должны быть совместно спроектированы с входной стадией TIA. Аналогично, маршрутизация высокоскоростных электрических сигналов среди фотоприемников, TIA и цифровых схем должна минимизировать перекрестные и паразитарные потери. Эта сложность требует сложных инструментов моделирования, которые моделируют как уравнения Максвелла, так и схемы на уровне транзисторов в единой среде. Циклы разработки удлиняются, и ограничения правил проектирования из обоих миров могут конфликтовать. Отраслевые тенденции к фотонике-знающей EDA (электронная автоматизация проектирования) постепенно смягчают эти проблемы, но совместное проектирование остается узким местом для быстрых инноваций.

Упаковка и испытания

Хотя сам чип приемника может быть компактным, общий модуль все еще должен взаимодействовать с оптическими волокнами, лазерами и источниками питания. Эффективность соединения волокон и чипов часто ограничена допусками выравнивания: боковое перемещение 1 мкм может привести к потере 1 дБ или более. Передовые методы упаковки, такие как решеточные соединители и краевые соединители со встроенными линзами, улучшили сцепление, но они добавляют стоимость и сложность. Кроме того, тестирование полностью интегрированного приемника требует высокоскоростных оптических источников и измерительного оборудования, которые дороги и не всегда доступны в стандартных испытательных лабораториях электроники. Такие инновации, как калибровка на чипе и встроенный самотест для оптических приемников, разрабатываются для снижения затрат на производство и тестирование.

Приложения в миниатюрных устройствах

  • Смартфоны и носимые устройства:] Будущие устройства будут использовать оптические межсоединения для высокоскоростной передачи данных между датчиками, процессорами и дисплеями. Интегрированный приемник, занимающий менее 0,1 мм2 и потребляющий 1 мВт, может заменить некоторые радиочастотные линии связи, предлагая меньшую задержку и более высокую пропускную способность для приложений, таких как дополненная реальность.
  • Биомедицинские имплантаты: Имплантируемые оптические приемники могут обнаруживать свет, передаваемый через кожу или из внешнего источника, что позволяет передавать беспроводную энергию и данные для кардиостимуляторов, нейронных регистраторов и систем доставки лекарств.
  • IoT и Smart Sensors: Оптические приемники малой мощности, работающие в ближнем инфракрасном спектре, могут использоваться для LiDAR (Light Detection and Ranging) в автономных дронах и роботах. Один чип-приемник с лавинообразным фотодиодом может обнаруживать слабые возвраты от объектов на расстоянии сотен метров, а несколько приемников могут быть массивными для 3D-картирования.
  • Оптические соединения центров обработки данных:] Наибольшим объемом применения остаются высокоскоростные оптические линии связи внутри и между центрами обработки данных. Миниатюрные приемники обеспечивают более высокую плотность портов на коммутационных гранях, уменьшая количество волоконных кабелей и улучшая воздушный поток для охлаждения. Модули 400 Гбит/с с использованием четырехканальных кремниевых фотонных приемников уже находятся в производстве, а модули 1,6 Тбит/с находятся на дорожной карте.

Будущий прогноз

Заглядывая вперед, темпы инноваций в интегрированных оптических схемах приемников не показывают признаков замедления. Несколько новых технологий могут радикально изменить ландшафт:

  • Двухмерные материалы:] Графен, MoS2 и чёрный фосфор обеспечивают чрезвычайно высокую мобильность несущих и способность обнаруживать фотоны в широком диапазоне длин волн. Интегрированные детекторы, изготовленные из 2D-материалов, показали полосы пропускания, превышающие 200 ГГц в лабораторных условиях, и их атомарно тонкая природа может позволить укладываться непосредственно поверх цепей CMOS. Однако крупномасштабный синтез и надежные омические контакты остаются препятствиями.
  • Квантовые приемники:] Для квантовой связи и вычислений приемники должны обнаруживать одиночные фотоны с почти идеальной эффективностью. Интегрированные сверхпроводящие нанопроводные однофотонные детекторы (SNSPD) уже были продемонстрированы на кремниевых чипах, достигая эффективности обнаружения выше 90% на телекоммуникационных длинах волн. Комбинирование SNSPD с криогенно-совместимыми CMOS TIA может позволить квантовые ретрансляторы и квантовые узлы распределения ключей, которые достаточно малы для практического развертывания.
  • Передовая модуляция и DSP: Использование форматов модуляции более высокого порядка (например, 64-QAM, OFDM) и цифровой обработки сигналов (DSP) может повысить спектральную эффективность и ослабить требования к полосе пропускания передней части. Для приложений дальнего следования и метро разрабатываются когерентные приемники, которые интегрируют локальный осцилляторный лазер, гибрид 90° и сбалансированные фотоприемники. Уравнение на основе DSP может компенсировать нарушения канала и несовершенства компонентов, позволяя приемникам превышать производительность чисто аналоговых конструкций.
  • Плазмоническая и метаповерхностная интеграция: Метаповерхности и плазмонные антенны могут перенаправлять свет в субволновые объемы, обеспечивая сверхвысокоскоростное фотообнаружение с минимальным объемом материала. Объединив метаповерхности с детекторами германия или графена, исследователи стремятся создать приемники, которые являются ультракомпактными и способны работать при >100 Гбит/с на канал. Это может быть особенно важно для оптических связей в свободном пространстве в беспилотниках и спутниках, где размер и вес имеют премиальную ценность.
«Интегрированный оптический приемник больше не является нишевым компонентом; он стал критически важным элементом практически в каждой высокоскоростной линии передачи данных. Сближение фотоники с передовыми CMOS позволяет использовать схемы приемника, которые быстрее, меньше и более энергоэффективны, чем когда-либо прежде», — сказала д-р Елена Минетти, ведущий исследователь фотонной группы IMEC, панели ISSCC 2024 года.

Заключение

Интегрированные оптические схемы приемников претерпели значительные успехи в последнее десятилетие, обусловленные неустанным спросом на более высокие скорости передачи данных и меньшие форм-факторы в потребительской электронике, биомедицинских устройствах и коммуникациях данных. Силиконовая фотоника, германиевые фотодетекторы, конструкция схем малой мощности и тесное сотрудничество между оптическими и электронными дисциплинами проектирования произвели приемники, которые достигают 100 Гбит/с работы на канал при одновременном потреблении менее 0,5 пДж/бит. Такие проблемы, как управление тепловой энергией, сложность совместного проектирования и упаковка, остаются, но продолжающиеся исследования в 2D-материалах, плазмонике и квантовом обнаружении обещают расширить границы. По мере того, как эти технологии созревают, интегрированные оптические приемники станут еще более распространенными, что позволит новому поколению миниатюрных устройств, которые взаимодействуют со светом для связи, зондирования и визуализации. Будущее фотонной интеграции ярко - и оно становится ярче с ускоряющимися темпами.