Mobil elektroniklerin hızlı çoğalması – akıllı telefonlar, giyilebilir, yüksek hızlı veri iletişimi, algılama ve görüntüleme sağlar. Cihazın form faktörleri ve performans gereksinimleri, optik alıcılar için en küçük, daha hızlı ve daha verimli bir optik alıcıları keşfedin. Bu makale, optik sinyalleri elektriksel olarak değiştirir, yüksek hızlı veri iletişimi, algılama ve görüntüleme sağlar.In device form faktörleri ve performans gereksinimleri ve görüntülemeleri, optik alıcılar için minia en yüksek maliyetle bir araya getirir.

Hareketli uygulamalarda optik alıcılar, güç tüketimi, hassasiyet ve maliyetle dengelenmelidir. Geleneksel ayrık-komponent tasarımları, kesme malzemeleri, üretim teknikleri ve sistem mimarilerinden yararlanan son derece entegre çözümler tarafından değiştirildi. Sonuç, sadece daha küçük değil, aynı zamanda artırılmış gerçeklikte yenilikler için de iyileştirici bir şekilde, biyometrik algılama ve yanlış bağlantı kurmanın bir yoludur.

Teknolojik Gelişmeler Araba Miniaturizasyon

Birkaç konvering teknoloji trendleri, optik alıcılardaki boyut ve güçte sürekli azalmaya olanak sağlar. Bunlar entegre fotonik devreler, gelişmiş yarı iletken malzemeler, mikro optikler ve yeni paketleme yaklaşımları içerir. Her biri, bant genişliği, gürültü rakam ve dinamik aralık gibi daha küçük bir ayak izi geliştirmek veya geliştirmek için katkıda bulunur.

Tümleşik Fotonik Devreleri

Entegre fotonik devreler (IPCs) alıcı zincirinin genel hacmini azaltır - arka planlayıcı, modülasyon, filtreleme ve algılama - tek bir çip. Monoli veya hibrit entegrasyon ile sabit parçalar yerine getirerek, silikon fotoniklerin son çalışma hacminin düşük maliyetli bir şekilde azaltılması, veri oranlarının 50 Gbps'den fazla olması nedeniyle, yüksek maliyetli üretimde yüksek maliyetli üretime olanak sağlar.

Doğal phosphide (InP) ve galium arsenide (GaAs) yüksek hızlı doğrudan algılama için üstün optoelektronik özellikleri sunuyor. Araştırmacılar ayrıca 3-V aktif katmanlarla silikon pasif bileşenleri en iyi sınıf performans elde etmek için birleştiren hibrit yaklaşımlar araştırıyor. Örneğin, portatif sistemler için yayınlanan 2023 çalışması.

Gelişmiş yarı iletken malzemeler

Geleneksel toplu silikon optik absorpsiyon ve hızda sınırlamalara sahiptir, özellikle yakın-infrared. Hızlı malzemelerle doğrudan bantgaps ve yüksek taşıyıcı hareketliliği, kompakt, yüksek performanslı alıcılar için gereklidir.Bu malzemeler fotodetektörlere yüksek sorumlu, düşük karanlık akım ve yüksek bant genişliğine sahiptir - geniş bir sinyal üzerinde çalışan taşınabilir cihazlar için tüm kritik.

[FONT:0)Indium phosphide (InP)) uzun süredir işkole ve metro optik alıcılar için iş birliği kalır, ancak taşınabilir elektronik olarak kabul edilen kabul edilebilir (GaAs)) ve türevleri 20 μm çapındaki fotodiyomlar, sadece birkaç miliwatt güçlendiricileri kullanarak, yüksek çözünürlükte 50 $ değerindeki şarj edilebilir.

[FONT:0] İki boyutlu malzemeler [Dönetici ve geçiş metal dichalcogenides (TMDs), yoğun bir araştırma altında da, atomik ölçümler ve kuantum-kompakt fotodektörler için yüksek hassasiyet ve hızlı yanıt süreleri ile ilgili olarak izin verir.

MikroOptikler ve Nanofotonikler

Miniaturizasyon elektronik ve fotonik entegrasyonla sınırlı değildir; optik arayüzin kendisi ölçeklenebilir. Micro-proraktif lensler, mikrolenler ve mikro-prismler -focus ve çift ışık küçük bir demet maliyetine kadar.

Örneğin, plasmonik antenler, dielektrik metasurfaces ve dalga kılavuzluk çiftleri, yüksek kuantum verimliliği korurken, sub-kuvvetli ışık manipülasyonu sağlar. Örneğin, her kare mikron önemli olan LiDAR sistemlerine konsantre olabilir.

WaferLevel Ambalaj ve 3D Entegrasyon

Optik bir alıcının toplam hacminin önemli bir kısmı için geleneksel olarak hesaplar. Wafer-düşük ambalaj (WLP) teknikleri - örneğin vias (TSVs), mikro-bumps ve alıcının doğrudan bir CMOS elektronik olarak ölmesini veya paketlenmesini sağlar. 3D entegrasyonu, bağlantı uzunluğu azaltır, daha düşük parasitik kapasitans ve genel ayak izi geliştirir ve tüm ayak izi azaltır.

Endüstri liderleri, mikrolenler dahil olmak üzere 3 mm3'ten daha az miktarda WLP ile optik alıcıları gösterdiler.Bu paketler tüketici elektroniklerinin tipik ve mekanik streslerine dayanabiliyor, mobil telefonlarda kitlesel üretim için uygun hale getirebilir ve kullanılabilir.

Trendler ve Future Outlook

Mevcut teknolojiler zaten etkileyici miniaturizasyon sağlıyorken, birkaç ortaya çıkan trend sınırları daha da zorlamaya söz veriyor. Photonic-elektronik entegrasyonu, makine öğrenme-aided sinyal işleme, heterojen entegrasyon ve esnek substratlar, bir sonraki nesil optik alıcıları portatif cihazlar için tanımlayacaktır.

FotonicElectronic Entegrasyon

Nihai miniaturizasyon hedefi, transimpedans yükselticileri (TIAs), saat-ve-data kurtarma (CDR) ile tamamen entegre optik alıcıları azaltmak ve dijital işleme çipleri için ihtiyaç ortadan kaldırmaktır.

Örneğin, imec'den 2024 kağıt, sadece 45 mW toplam güçle elde edilen bir Almanium fotodiode, bir TIA ve bir PAM-4 decoder, tek 28 nm CMOS çipine ulaşmak için 112 Gbps'ye ulaşmak için gereklidir.Bu tür kompaktlık, artırılmış gerçeklik kafalarından veya gerçek zamanlı bulut bağlantılarından büyük veri akışlarını ele geçirmek için gereklidir.

Signal Processing'da Makine Öğrenme

Makine öğrenimi (ML) optik alıcıların gürültüyü ve bozulmayı nasıl ele aldığını yeniden şekillendirmektedir, özellikle de kısıtlı güç bütçelerinde, sayısal cihazlara dayanan. Geleneksel olarak, eşitleme ve hata düzeltmesi, en kötü koşullar için tasarlanmış sabit olmayan filtrelere güvenmektedir. ML algoritmaları, karar eşleri, beslemeli musluklar ve kurtarma gibi - gerçek zamanlı kanal koşullarına dayalı olarak.

Özel donanım hızlandırıcılarında uygulanan düşük çözünürlükte sinir ağları, geleneksel dijital sinyal işleme ile kıyaslanabilir, artan güç önemli ölçüde artarken, özellikle de çevre ışık müdahalesi ve cihaz hareketi zaman alıcı kanallar yaratır.Silicon Photonics.[ Inc gibi şirketlerde 5G ön alıcıları ve mobil kablosuz bağlantılarda kullanılabilir.

Heterojen integral ve Multi-Chip Modüller

Tüm fonksiyonlar tek bir malzeme sisteminde en uygun şekilde kumaşlanamaz. Heterojen entegrasyon - yüksek performanslı bir InP fotodiode, düşük güç CMOS TIA'nın bağımsız optimizasyonuna izin verirken, örneğin - her bileşeni küçük bir ayak izi korumak için. Multi-çip modülleri (MCMs)

Savunma Gelişmiş Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) ve çeşitli Konsüller, hassas pick-ve yer, mikro transfer baskısı ve wafer bağı ile gelişmiş heterojen entegrasyona sahiptir. Bu teknikler, 1 mm'nin altındaki boyutlardaki alıcılara verir. Bu derleme süreçlerinin maliyeti azalırken, yüksek hacimli taşınabilir uygulamalar için uygulanabilir hale gelecektir.

Esnek ve çizilebilir Optik Alıcılar

İnsan vücuduna uygun giyilebilir cihazlar için, katı alıcı modüller zayıf bir sığar. Polimer substratları veya ince film metal oksitleri üzerinde inşa edilen esnek optik alıcılar iyileştirilebilir, çarpıtılabilir ve işlevselliği kaybetmeden genişletilebilir.Bu cihazlar organik fotodetektörleri (OPDs) veya kuantum-doktorlar esnek filmlerde yazdırılabilir.

Araştırmacılar, 5 mm'nin bükme yarısı ve sağlık izleme yamaları için yeterli olan esnek optik alıcıyı gösterdiler.Mevcut performans alıcılarda sert olmayan InP alıcılarında gecikmeler olsa da, organik ve kuantumdot materyallerinde hızlı ilerlemeler yakında esnek alıcılara ihtiyaç duyduklarını gösteriyor.

Portatif Cihazların Anahtar Uygulamaları

Miniaturized optik alıcılar daha önce pratik olmayan bir dizi uygulama sağlar. İşte boyut ve güç azaltımının en büyük etkiye sahip olduğu dört alanı vurguladık.

Akıllı telefonlar ve Tabletler

Modern telefonlar, kamera modülünün yanında sığabilecek kadar çok optik alıcı içerir, ancak birkaç metrede bir LED'ten gelen modüle uygun olarak algılanmalıdır. - Proleksiyonel ışık ve zaman zaman ışığı, optik veriler (Li-Fi) Bir akıllı telefon Li-Fi sistemi için alıcı, kamera modülünün yanında sığacak kadar küçük olmalıdır, ancak birkaç metrede bir LED'ten şarj edilebilir.

Giysilenebilir Sağlık İzlemeleri

Akıllı gözlemler, kan-oxygen sensörleri gibi giyinilebilir ve sürekli glukoz monitörleri, doku yoluyla yansıyan veya aktarmalı ışıklara güvenmektedir. Miniaturizasyon, bu sensörlerin kulakbudlar, yüzükler veya yapıştırıcı yamaları rahatsızlıksız bir şekilde dahil edilmesini sağlar. Tipik bir fotoğrafçı sensörü bugün 0,5 mm2'lik aktif bir alıcı kullanır, sadece birkaç yüz mikrowatt tüketmek.

IoT ve Smart Sensörler

Çevre izleme, akıllı binalar ve endüstriyel IoT, yakın zamanda çalışan ultra güçlü bir iletişime ihtiyaç duyar. yakın zamanda bu tür entegre fotonik alıcıları, 50 μW olarak güç bütçeleri ile Mbps'ye veri oranları sağlayabilir. Miniature optik alıcılar, entegre güneş hücreleri ile birlikte enerji tasarrufuna bile ihtiyaç duyar.

Bir Özerk Sistemler için LiDAR

Portre robotlar, dronelar ve otomotiv kapak sistemleri, uzun menziller üzerinde zayıf lazer pul puls tespit edebilecek kompakt optik alıcılara talep ediyor. Miniaturized single-photon avalanche diyot (SPAD) dizileri - SPAD sadece 10 μm çapında - yüksek çözünürlükte küçük bir ayak izi ile çalışır - örneğin, 1 mm2'den daha az sayıda × 100 SPAD görüntüleme ve tek bir tek başına elektronik ile entegre edilebilir.

Miniaturizasyonda Meydanlar ve Dikkatler

Hızlı ilerlemeye rağmen, birkaç engel tamamen miniaturized optik alıcılar taşınabilir cihazlarda ubiquitous hale gelir. Mühendisler ısı dağılımı, güç verimliliği, üretim maliyeti ve eşlik eden kaçınılmaz performans ticaret-offları ele almalıdır.

Termal Yönetim

Optik alıcılar küçüldüğü gibi, birim alanı başına üretilen ısı dramatik bir şekilde artabilir. Yüksek hızlı fotodiodes ve TIAs dissipate power in a small region, lead to local hot locations that degrad performance and reliable. Verimli termal yönetim - mikro ısınmış lavabolar, ısıtılmış ısı ile entegrasyon - gömülü ısı ile gelişmiş paket tasarımları geliştirilir, ancak karmaşık hava akışı ile taşınabilir cihazlar için karmaşık ve maliyet sağlar.

Güç Verimliliği ve Battery Life

Portre cihazlar güçle kaplıdır. Optik alıcıda her miliwatt pil hayatını genişletir veya ek özellikleri en aza indirmek için izin verir. Miniaturization genellikle fotodiode çalışan kapasite ve güç tüketimini azaltır, ancak destek elektronik (TIAs, eşitleştiriciler, ve ML hızlandırıcılar) bu kazanımlar için gereklidir. Tasarımcılar, genel sistemi en aza indirmek için fotonik ve elektronik porsiyonları en aza indirmek için dikkatli bir şekilde optimize etmelidir. 10 Gbps'de çalışan 10 mW alıcıları mobil uygulamalar için üretime girerler.

İmalat Kompleksi ve Maliyet

Birden fazla malzeme sistemini (örneğin, Silikon CMOS'ta fotodiodlar) üretim adımlarını ekliyor ve verim azaltır. Wafer- Seviye Bağ ve mikro-dönüşüm baskısı gelişmiştir, ancak bu süreçlerin maliyeti tamamen monolithic silikon çözümleri ile rekabet etmek için bir miktar azaltılmalıdır. Endüstri eksileri:0) Tümleşik Photonics (AIMnics) [Düzücüler için Amerika Enstitüsü))[Döneticileri standartlaştırmak ve maliyetleri azaltmak için çalışır.

Performans TicaretiOffs

Sensör alanı genellikle hassas ve maksimum giriş gücünü azaltır. Daha küçük bir fotodiode'nin daha düşük kapasiteli (distant verici) birkaç mikrowatta (daha düşük şarj edici) sinyalleri ve otomatik kazanç kontrol karmaşıklığına karşı denge alanı gerekir, ancak örneğin Li-Fi alıcının birkaç nanowattdan (distant verici) sinyalleri birkaç mikrowatta (distant verici) işlemek için gerekli dinamik aralığına ihtiyacı olabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Optik alıcıların minimizasyonu, fotonik entegrasyon, malzeme bilimi, paketleme ve algoritma tasarımı alanlarında ilerlemelere yol açan çok yönlü bir mühendislik çabasıdır. Entegre fotonik devrelerden ve yarı iletkenlerden fotonik-elektronik entegrasyon ve makine öğrenme-öğrenme sürecine kadar, teknoloji peyzajı hızla gelişmektedir.

Termal yönetim, maliyet ve performans ticaret gibi zorluklar açık olsa da, yörünge açık: optik alıcılar en sonunda mikroelektronik sensörleri olarak ubiquitous ve unobtrusive olarak, araştırma ilerledikçe ve olgunlaşmış, kompakt, yüksek performanslı bir alıcının her taşınabilir cihaz için vizyonu iyi bir şekilde ulaşılıyor.