Entegre Optik Alıcı Devrelerine Giriş

Tümleşik optik alıcı devreleri modern yüksek hızlı iletişim ve algılama sistemleri için temel yapı taşlarıdır. Bu devreler gelen optik sinyalleri dönüştürür - bir fiber optik kablo veya ücretsiz uzay bağlantılarından - dijital elektronik olarak işlenebilir. Fotoğraflı yükselteçler, transimpedans yükselteçleri, limitli yükselteçler ve saat-vedata devreleri tek bir substratı ile yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, elektrik tüketimi ve maliyetle işlemlenebilir.In-transkript uygulamaları için talep olarak, 5G/6G kablosuz, hızlı bir şekilde yükseltilebilir.

The Drive to Miniaturization

Elektronik ve fotonik sistemlerini küçültmek için sürekli zorlamak birkaç çakışan güçle yönlendirilir. Tüketici elektronik üreticileri sanal gerçeklikle iletişim kurabilir ve 8K videoyu aşırı ısıtmadan akışsız olarak genişletir. Biyomedikal mühendisler kan şekeri veya sinir aktivitelerini en az güç ve boyutla izleyebilirler. Industrial IoT cihazları, sert ortamlarda güvenilir iletişim kurarken, bu tür bir ölçeklendirme ve sinyal işleme gerektirir. Tüm bu parçalarda, optik bileşenler çok büyük ve güçlendiricidir. Tüm optik alıcılara göre, tümleşik optik algılama ve sinyal işleme sağlar.

Key Technological Building Blocks

Silikon Fotoniks Platform

Silikonlu fotonikler, tek bir ölüye ait fotonik ve elektronik işlevleri tek bir şekilde entegre etme konusunda ortaya çıktı.Kutsal metalik-oksit-semiktör (CMOS) mikroelektronik için kullanılan silikon-projektöreleri (SOI) tabakası, düşük maliyet ve monolitik olarak fotonik ve elektronik işlevleri tek bir şekilde entegre etme yeteneği, çiftleri, çiftleri ve modüller, optik optik kontrolleri kullanarak tamamen doğrulanabilir.

Yüksek Hızlı Fotodetectors

Fotodetector, silikon üzerinde yetiştirilen ön doğaçlama bileşenidir, çünkü toplam 50 GHz'nin üzerinde yapılan geleneksel pin fotodiodes, yüksek bantlı optik uygulamaları ile 10,5'in üzerinde yapılan yeni optik analizler için daha fazla ölçümde bulunur.

LowPower Devre Tasarımı

Ekrandaki elektronik devreler, minimum güç tasarrufu yaparken yüksek oranda elde edilen elektronik devreler (TIA) ve sınırlı bir yükseltici (TIA) ile, minimum güç tasarrufu sağlayan yüksek çözünürlükte, otomatikleştirilmiş elektriksel devreleri azaltmak için kullanılır.

Co-Design aracılığıyla Hassasiyet

Hassasiyet - hatasız operasyon için gerekli minimum optik güç - alınan sinyalin zayıf olduğu uygulamalar için kritik, uzun zamandır optik bağlantı veya ücretsiz alan optik iletişim. Entegre alıcılar artık rutin olarak yüzde 25 Gbps'yi aşağıdaki hassasiyetle elde ederler - daha önce beş yıl boyunca dBm, bu düşük çözünürlükte bir artış sağlar ve gürültüyü artırmak için daha düşük bir artış sağlar.

Tümleşik Alıcılarda Son Araştırıyor

CMOS Electronics ile Co-integration

En önemli son başarılardan biri, fotonik cihazlara gelişmiş CMOS mantığına sahip optik alıcı devrelerinin tam monolitik entegrasyonudur. Daha önce nesiller genellikle aynı silikondaki fotonik çip telleri ile aynı silikonun ölmesine izin verir ve bu kosinasyon, algoritma ve sınırlı performansa sahip olan fotonik-kansertifli CMOS süreçleri sunar.

Almaniumon-Silicon dektörler Kanal başına 100 Gbps'yi Pushing 100 Gbps per Channel

Almanium fotodetectors, silikon dalga kılavuzu ve saf Almanyum emicileri arasında 100 nA'nın altından gelen karanlık akımın 100 nA'nın altında tutulması nedeniyle, 1310 nm'de ince silikon toplayıcılarının (SiGe) bant genişliğinin ve saf Alman TIA'nın arasında bir araya gelmesiyle, tam alıcı zincirlerinin 8,4 modda bir araya gelmesiyle 8,85 A / WPackard'ın bu dedektörlerin bant genişliğine entegre edilmesiyle birlikte, 60 GHz'in üzerindeki tümleşik bir şekilde sabit bir şekilde sabit bir şekilde sabit bir şekilde sabit bir şekilde sabit bir şekilde sabitleyicide 8 GHz'i destekler.

Ultra-Compact Tespiti için Plasmonik Yapılar

Miniaturizasyona daha radikal bir yaklaşım, yüzey plazmonik kutupları - sadece birkaç yüz nanometreye sahip olan son çalışma - Au Federal Teknoloji Enstitüsü'nde (Zenginlikle) bir Autonital fotodektör ile birlikte, bir silikon substratı ile birlikte, daha küçük bir yüzeysel olmayan bir çalışma, sadece 1 μm2'lik bir alanda son derece yüksek çözünürlükte olan bir optik alıcıya göre daha düşük bir testte bulunabilir.

Scaling Down Optik Alıcılarda Zorluklar

Termal Yönetim

Optik alıcı devreleri küçültülüyor ve daha yüksek hızlarda çalışırken, ısı yoğunluğu önemli bir problem haline geliyor. fotodetector ve TIA çok küçük bir alanda – 0.0 mm2 altında - doğrudan silikon substratına entegre edilen yerel sıcak noktalara yol açıyor. Geleneksel pasif soğutma (sıklar, termal ısıtılırlar, ısıtılırlar) genellikle alıcının ötesindeki ısıtılmış veya düşük trafik hatları için mikro-toplayıcılar gibi aktif soğutma tekniklerini araştırıyor.

Elektriksel Optimal Co-Design Kompleksi

Optik ve elektrik alanlarının bağlılığı, bir alıcının fotonik ve elektronikleri ayrı olarak göz önünde bulundurması gerektiği anlamına gelir.Bu karmaşıklık, frekans cevabı ve gürültü, TIA'nın giriş aşaması ile birlikte tasarlanmalıdır. Benzer şekilde, yüksek hızda elektrik sinyallerinin yanı sıra, TIA ve dijital devreleri her iki fotoğraftaki dijital devreler de katlanarak hızlanabilir.

Ambalaj ve Test

Alıcı çipinin kendisi kompakt olabilirken, genel modül hala optik fiberler, lazerler ve güç malzemeleri ile arayüze girişmelidir. Fiber-to-çim darbe verimliliği genellikle uyum toleransları ile sınırlıdır: daha sonra tamamen optik kaynaklardan ve ölçüm ekipmanlarının yanı sıra, standart elektronik test laboratuarlarında 1 dB kaybı veya daha fazla sayıda ambalaj tekniğine neden olabilir.

Miniaturized Cihazlarında Uygulamaları

  • [FONT:0) Akıllı telefonlar ve giyilebilirler: Future cihazları, sensörler, işlemciler ve ekranlar arasındaki yüksek hızlı veri transferi için optik bağlantılarını kullanacak ve 1 mW'yi satın alan entegre bir alıcı, bazı RF bağlantılarını değiştirebilecek ve simetrik gerçeklik gibi uygulamalar için daha düşük gecikmeli ve daha yüksek bant genişliğini sağlayacaktır.
  • [FONT:0)Biomedical İmplantlar: Implantable optik alıcılar, deri veya dış kaynaktan ışık ile aktarılabilir, kablosuz güç ve veri transferlerini hız vericiler, sinir kayıtları ve ilaç-delivery sistemleri için sağlar. Miniaturizasyon implantları küçük ve biyo uyumlu tutmak için kritiktir.
  • [FONT:0]IoT ve Smart Sensörler: Low-power Optik alıcılar yakın spektrumda çalışan LiDAR (IoT ve Ranging) için, otonom drone ve robotlarda tek bir alıcı çipi, yüzlerce metre uzaklıktaki zayıf geri dönüşleri tespit edebilir ve birçok alıcı 3D harita için ayarlanabilir.
  • [FONT:0]Data Center Optik Interconnects:[Dönetici: En büyük hacim uygulaması zaten üretimde ve veri merkezleri arasında yüksek hızlı optik bağlantılardır. Miniaturized alıcılar, yüksek port yoğunluğunun hıza kadar yüksek devretmeler sağlar ve soğutma için hava akışını arttırırlar. 400 Gbps modüller.

Future Outlook

İleriye bakıldığında, entegre optik alıcı devrelerindeki inovasyonun hızı yavaşlama belirtileri gösteriyor. Birkaç gelişmekte olan teknoloji manzarayı radikal bir şekilde değiştirebilir:

  • [FONT:0] İki-Dimensional Malzemeler: Graphene, MoS2 ve siyah fobik, büyük ölçekli sentez ve Ohmik kontaklar, 2D malzemelerden yapılan tümleşik dedektörleri laboratuar ayarlarında 200 GHz'den fazla sergileyebilir ve atomik olarak ince doğaları doğrudan CMOS devrelerinin üst üste yığılmalarına izin verebilir.
  • [FONT:0]Quantum Alıcıları: [Dönetici: [Dönetici:0]Quantum iletişim ve bilişim için, alıcılar, telecom dalgalarındaki algılama efficileri tespit etmeliler.
  • DSP:0) İleri Modulation and DSP: Daha yüksek sipariş modlama formatlarının (örneğin, 64-QAM, OFDM) ve dijital sinyal işleme (DSP), kanal bozulmalarını ve hatalı yükselteçleri güçlendirebilir, alıcıları saf analog tasarımların performansını aşabilmelerine izin verebilir.
  • [FONT:0]Plasmonik ve Metasurface Entegrasyonu:) Metasurfaces ve plasmonik antenler kanal başına aşırı dalgalar halinde çalışma imkanı sağlar, ultra yüksek hızlı fotodeksiyona sahip olan en düşük malzeme hacmi ile izin verebilir. metasurfaces ile Germanyium veya grafikte denetleyiciler birleştirerek, araştırmacılar hem ultrakompakt hem de kanalda ameliyat yeteneğine sahip alıcıları yaratmayı amaçlamaktadır.
[[Enterasyonel optik alıcı artık bir niş bileşeni değildir; IMEC'in hemen her yüksek hızlı veri bağlantısında performansa uygun bir unsur haline gelmiştir.[Döneticileri ile gelişmiş CMOS ile birlikte bir araya getiren fotonikler, daha hızlı, daha küçük ve daha verimli hale getiren alıcı devreleri bir araya getirir. ”- Dr. Elena Minetti, IMEC'in grubuna liderlik eden araştırmacı, 2024 ISSCC panelinde

).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Entegre optik alıcı devreleri son on yılda olağanüstü ilerlemeler geçiriyor, tüketici elektronik, biyomedikal cihazlar ve veri iletişimleri için sürekli talepler ve daha parlak iletişim araçlarına sahip olan optik iletişim araçları ile, Germanyium fotodetektörler, düşük güç devre tasarımı ve yakın işbirliği, daha iyi bir iletişim kurma teknolojileri için 100 Gbps işlemine sahip, daha küçük bir görüntüyü elde etmek için daha fazla entegre hale getiriyor.