Silikon Fotoniklerinin Sonraki Nesil Optik Alıcılar için Evrimi
Silikon fotonikleri, optik bileşenlerin elektronik olarak entegre edilmesi için laboratuvar merakından taşındı - modern yüksek hızlı optik interconnectler - olgun tamamlayıcı metal-semiconductor (CMOS) ile ilgili olarak, silikon fotonikler, veri merkezlerinin bant genişliği veya hibrid entegrasyonunu sağlar - 5G/6G ağları ve ortaya çıkan kenardaki bu yeni dönüşüm cihazlarının temellerini keşfeder.
Optik alıcılar gelen ışık sinyalleri elektrik akımlarına dönüştürürler. performansları üç metrikte bağlıdır: silikonlu malzemeler ve süreçleri kullanarak bu soruları yanıtlar (hızlı) ve daha koyu akım (gösterici) Geleneksel III-V bileşik yarı iletken alıcılar (örneğin,GaAs) mükemmel performans sunar, ancak silikon elektronikleriyle entegre etmek için pahalı ve zorlanır.
Yüksek Hızlı Fotodetector Design'da Aranıyor
Fotodetectors herhangi bir optik alıcının kalbidir. Daha yüksek veri oranları için talep (100 Gbps perway ve ötesinde) araştırmacılara deküre geometrisi ve malzeme seçimi yeniden düşünmelerini sağladı.
Almanium-on-Silicon Photodetectors
Almanium (Ge) silikon fotoniklerdeki fotodetektörler için en yaygın olarak kabul edilen materyaldir, çünkü seçici alanda büyüme, sınıf içi tampon tabakalar ve verita kullanılan erken Ge-on-Si fotodetectors, 100 nA'nın altında bulunan koyu akımlara sahip olan yüksek çözünürlükte bulunan ve responsivitelere maruz kalmıştır.
Daha da önemlisi, modern Ge p-i-n dalga kılavuz fotodetektörler, dış fiber darbeyi optimize ederek 60-110 GHz'in 3-dB bant genişliğine sahip olurlar. Bu cihazlar yeterince küçük (aktif alan ~ 10-50 μm2) doğrudan silikon dalga kılavuzlarına yerleştirilir, dış fiber darbe ihtiyacını ortadan kaldırır.
[FONT:0)Key referans: [DDÜDÜDÜSTÜSÜSÜSTÜSÜSÜSTÜSÜSÜSTÜSÜ: 0 GHz bantlı uygulamaları için 224 Gbps için yol açmanın bir göstergesi olarak, 1.500 $ 'lık bir Ge fotodetektöre bildirdi.
İki-Dimensional Material Photodetectors
Almanium, MoS2 ve WSe2 gibi grafiksel (TMD) metal dichalcogenides (TMDs) gibi iki boyutlu (2D) malzemeler, daha küçük ve daha verimli bir fotodetektörler için adaylar olarak ortaya çıkıyor. Bu atomik etkileşim, yüksek taşıyıcılar ve elektrostatik füzyon yoluyla absorbsiyon ayarlama yeteneği - örneğin, geniş bir anten aralığı (ortalama) boyunca çalışabilirler.
Son zamanlarda yapılan çalışmalar, 50 GHz'yi aşan ve sorumluları olan grafiklere işaret etti.0)[Doğasal Fotoğrafçılara göre yüksek kazanç elde edebilir (D) düşük önyargılı gerilimler (D) [Dönemli fotodektörler, 2022) [D-yaratıcılar, düşük büyüme ve uzun vadeli stabiliteler için umut vericidir.
Avalanche Fotodiodes (APDs) in Silikon Fotoniks
Tek foton duyarlılığı gerektiren uygulamalar için, optik zaman-bölge reflektometri ve kuantum anahtar dağıtım gibi, silikon fotonik APDs dikkat çekiyor. Silikonun kendisi, görünür ve yakın bir Siplikasyon bölgesi için mükemmel bir malzemedir (örneğin, 1 / APDs'e kadar), ancak telecom'da empoze edilemez ve düşük maliyetli ürünler elde edebilir (1.3/1.55 μm)
Fotodetectors ile Silikon Fotonik Devreleri
Bir standalone bileşeninden bir yana bir şarj cihazına taşınmak gerçek miniaturizasyon ücretinin gerçekleştiği yerdir. Hedef tam bir alıcı oluşturmaktır - girişten sonra çiftleştirici yükselteç (TIA) - tek bir çip.
Monolithic vs. Hybrid Integration
Monolithic integration tüm aktif bileşenleri (daha iyiler, dedektörleri, modülörler) doğrudan silikon substratına zarar vermek için büyür. alıcılar için, bu, fotodetektör aynı CMOS sürecinden oluşur ve şimdi tamamen monolitik silikon fotonik platformlarını en aza indirirken, altta yatan elektroniklerden kaçınmak için dikkatli bir termal bütçe yönetimi gerektirir.
Hibrit entegrasyon, kontrastla, III-V veya diğer dektörler, mikro-dönüşlü baskı veya dönüş-çipli bağ kullanarak silikon fotonik çiplere bağlanırlar.Bu, optimize edilmiş bir dedektörlerin (örneğin,GaAs APDs) kullanımına izin verir, ancak özellikle de Optisyen baskıdan yararlanırken, binlerce mikro-öldürülebilir bir teknik olarak ortaya çıktı.
Edge vs. Surface Coupling
Kompakt alıcılar, dış bir fiberden gelen ışık etkin bir şekilde sıkıştırılırlar.Scientific Reports, 2023)[Döneticileri, fiberlerin kartla eşleştirildiği yerde, düşük ekleme kaybı sunar ([Döneticiler, 2023)[Döneticiler, 2023)[Döneticiler genellikle modu alanına eşleştirilecek yer.
Yenilikçi Dalga kılavuz Yapıları ve Cihaz Mimarileri
Fotodetector'un ötesinde, dedektörün ışığı sağlayan dalga kılavuzu performans ve ayak izi artırmak için mühendisi olabilir.
Subwavelong Omegles and Slot Waveguides
Subwavelong grating (SWG) dalga kılavuzları, ışık dalga kılavuzlarından daha küçük periyodik segmentlerden oluşan, uygun bir dağılım sunar ve saç dökülmesi azaltır.Bir yönde çift, SWG yapıları optik modu son derece küçük hacimlere sıkıştırabilir, bir kayıt cihazı ile aktif alanlara sahip fotodeptörleri zorlayabilir (~10 μm2).
Plasmonik-Enhanced Tespit
Fotodetectors ile makonik nanoyapılar, 0.6 A / W ve bant genişliğinin altında 100 GHz'in üzerinde reaksiyona yoğunlaşabilir. Araştırmacılar, 2021'de silikon platozminojen bir fotodektör kullanarak metal-semik-metal-MSM) yapısını, genel cihazı 1 μm'den daha azına düşürmüşlerdir.
Silikon ve Almanyumun Ötesinde Malzemeler
Performans sınırlarını zorlamak için, araştırmacılar silikon fotonik platformuna ek olabilecek daha geniş bir malzeme paleti keşfediyorlar.
İnce Film Lityum Niobate (LNOI)
LNOI'nin silikon substratına bağlı olarak ince bir filme eklenerek, tasarımcılar yüksek hızlı modüller oluşturabilir ve bir fotodetektör ile birlikte, LNOI modülellerinin son gösterileri, platformun gelecekteki 224 Gbps PAM-4 bağlantılarına destek olabileceğini gösteriyor.(Optim, 2023)[Döndergiler için, LNOI modülatörüyle birlikte, LNOI modlatorların son gösteriler aynı zamanda optimizasyona yönelik olarak, LNOI modlaksiyonlara da entegre edilir.
2D Heteroyapılar ve Perovskites
2D van der Waals materyali, tasarımcı heteroyapıların lattice eşleştirme kısıtlamaları olmadan izin verir. A grafikene/MoS2/graphene yığını yüksek kazançla fotodetektör olarak hareket edebilir (104 A/W) ve geniş bant yanıt verir. ancak, CsPbBr3 kuantum bant genişliği yavaş tuzak durumlarında oldukça düşük çözünürlükte olan birkaç tane ile sınırlıdır.
Alıcı Frontend Devreleri ve Co-Packating
Kompakt bir alıcı sadece fotodetektörle ilgili değildir - transimpedans yükseltici (TIA) ve saat-data kurtarma (CDR) ayrıca miniaturized. Silikon fotonik alıcı sık sık bir e-posta ile bir araya gelirken, standart 28 nm veya 45 nm işlemi kullanarak. TIA'nın tasarımı, bilanço ve gürültüyü dengelemek zorundadır.
Co-packaged optik (CPO) başka bir büyük trenddir: optik transceiversleri bir anahtar yüz plakaya takmak yerine, optik motor aynı substratı geçiş ASIC. Bu ortadan kaldırır ve diğerleri CPO çözümlerini 51.2 Tbps anahtarları için önceden duyurdular.
Meydanlar ve Reliability
Hızlı ilerlemeye rağmen, kompakt silikon fotonik alıcılar tüketici cihazlarında ubiquitous hale gelmeden birkaç engel kalır.
- [FONT:0]Dark mevcut ve gürültü: [DD fotodiodes hala III-V alternatiflerinden daha karanlık akım sergiliyor, özellikle de yüksek sıcaklıklarda. Bu sınırlar uzun erişim bağlantıları için hassastır. Defect passivation teknikleri (e.g., hidrojen ekleme, Si cap katmanları)
- [[Düzg:0)Process karmaşıklığı:[Dönetici entegrasyonu, transistör performansı etkileyen maske tabakaları ve termal adımları ekliyor. Foundries must denge optik performans with parametrik veri CMOS elektronik.
- [FONT=0)Polarizasyon ve sıcaklık duyarlılığı: Silikon dalga kılavuz cihazları son derece kuş ve termo-optik (345/345T - 1.8 ×10 -4 K - 1) Sıcaklık kontrolü mikro ısı kontrolü mikro ısıtıcı veya atermal tasarım (örneğin, negatif termo-optik katle bir polimer cladding) karmaşıklaşır.
- [FONT:0)Reliability:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:0)Reliability:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:[Dönetici: [Dönetici:0))) Sürekli yüksek güç aydınlatması altındaki uzun vadeli bir kararlılık hala karakterizedir.
Uygulamalar Sürüş Yenileme
Daha küçük, daha hızlı, daha ucuz optik alıcılar için itme birkaç anahtar pazar tarafından yakıtlanır.
Data Center Interconnect
Hyperscale veri merkezleri, 800G ve 1.6T modüllerini biraz düşük güçle gerektirir ([Dönem:0) 100 Tbps per switch faceplate.
5G/6G Fronthaul
Kablosuz temel istasyonlar giderek analog veya dijital RoF (radio-over-fiber) bağlantıları kullanıyor. Küçük, dış sıcaklık aralıklarında güvenilir şekilde çalıştırabilecek sağlam alıcılar (-40 ila +85°C) gereklidir. Silikon fotonikler alıcıyı aynı çiple bütünleştirme imkanı sunar.
Lidar ve Sensing
Otomotiv ve endüstriyel kapak 1550 nm göz güvenli dalga boyunda çalışan 15 cm'lik bir dizi, tek bir ölüye doğru sabit raylı sistemlere güvenmektedir. Coherent algılama planları düşük boyutlu, yüksek bant genişliği fotodiodes. tek bir ölüm maliyeti ve büyüklüğü sağlam bir şekilde azaltır.
Kuantum Fotonikleri
Tek foton dedektörleri (SNSPDs veya APDs) silikon üzerinde temel dağıtım ve fotonik kuantum hesaplama için önemli bir bina bloğudur. Düşük jitter ve yüksek algılama verimliliği için tasarlanmış silikon fotonik alıcılar ulusal laboratuvarlarla ortaklıkta geliştirilmektedir.
Future Outlook ve Gelişen Trendler
Önümüzdeki birkaç yol daha küçülmeye ve optik alıcılar geliştirmeye söz verir.
- [FONT=0)Multi-lane dalga boyun eğlendirici (WDM): [Döneticileri ile birlikte, 1,2|IBM Araştırması, 2022) [Döneticileri ile aynı çip üzerinde olan bir dizi mikro-çaklı alıcı, IBM'in, 40 Gbps'de çalışan 16-lane alıcıyı toplam olarak 1,2 $ 'lık bir dizi mikro-kürücü filtreyi bir dizi ile sergiledi.
- [FONT:0)Makine öğrenme etkin optimizasyon:[Dönetici ağları otomatik olarak yeni dalga kılavuzları ve fotodetek geometrileri tasarlayabilecek veya insan tarafından tasarlanan meslektaşların daha düşük çözünürlükte geometriler üretebilecektir.Inverse design algoritmaları otomatik olarak kompakt granüler ve spot boyutlu dönüştürücüler üretebilir.
- [FONT:0)Aktif hizalamasız ambalaj: V-grooves ve mikro-lens kullanan Fiber arabirimleri montaj maliyetini azaltır. Bazı tasarımları, silikon fotonik ölmeye doğrudan basılabilir polimer dalga kılavuzları içerir.
- [FONT:0]Nonlinear silikon fotonikler: Yüksek mikroresoncularda Kerr etkisi, alıcı dizileri için çok fazla dalga boyu kaynağa hizmet eden optik frekans söndürücüler üretebilir.
Gelişmiş malzemelerin kombinasyonu, yeni entegrasyon teknikleri ve ölçeklenebilir CMOS foundry süreçleri kompakt, yüksek performanslı optik alıcılar toplu dağıtıma daha yakın bir şekilde getiriyor.Veri oranları tırmanmaya ve güç bütçelerine sıkıca devam ettikçe, bu yenilikler küresel iletişim kapasitesindeki büyümenin yönünü korumak için kritik olacaktır.