Giới thiệu bộ tách sóng quang InGaAs

Giới thiệuBộ tách sóng quang InGaAs

InGaAs là một trong những vật liệu lý tưởng để đạt được phản ứng cao vàmáy dò ảnh tốc độ caoĐầu tiên, InGaAs là vật liệu bán dẫn có khe hở dải trực tiếp, và độ rộng khe hở dải của nó có thể được điều chỉnh theo tỷ lệ giữa In và Ga, cho phép phát hiện các tín hiệu quang học ở các bước sóng khác nhau. Trong số đó, InGaAs 0,53Ga 0,47As hoàn toàn phù hợp với mạng nền InP và có hệ số hấp thụ ánh sáng rất cao trong dải thông tin quang. Nó được sử dụng rộng rãi nhất trong việc chế tạomáy dò quangvà cũng có hiệu suất dòng điện tối và khả năng đáp ứng nổi bật nhất. Thứ hai, cả vật liệu InGaAs và InP đều có vận tốc trôi electron tương đối cao, với vận tốc trôi electron bão hòa của chúng đều xấp xỉ 1×107cm/s. Trong khi đó, dưới các trường điện cụ thể, vật liệu InGaAs và InP thể hiện hiệu ứng vượt vận tốc electron, với vận tốc vượt của chúng lần lượt đạt 4×107cm/s và 6×107cm/s. Điều này có lợi cho việc đạt được băng thông giao thoa cao hơn. Hiện tại, bộ tách sóng quang InGaAs là bộ tách sóng quang phổ biến nhất cho truyền thông quang học. Trên thị trường, phương pháp ghép nối bề mặt-cận là phổ biến nhất. Các sản phẩm bộ tách sóng bề mặt-cận với 25 Gaud/s và 56 Gaud/s đã có thể được sản xuất hàng loạt. Các bộ tách sóng bề mặt-cận có kích thước nhỏ hơn, ngược chiều và băng thông lớn cũng đã được phát triển, chủ yếu cho các ứng dụng như tốc độ cao và độ bão hòa cao. Tuy nhiên, do hạn chế về phương pháp ghép nối, các bộ dò sự cố bề mặt khó tích hợp với các thiết bị quang điện tử khác. Do đó, với nhu cầu tích hợp quang điện tử ngày càng tăng, các bộ dò quang InGaAs ghép nối với ống dẫn sóng có hiệu suất tuyệt vời và phù hợp để tích hợp đã dần trở thành trọng tâm nghiên cứu. Trong số đó, các mô-đun bộ dò quang InGaAs thương mại 70GHz và 110GHz hầu như đều áp dụng cấu trúc ghép nối ống dẫn sóng. Theo sự khác biệt về vật liệu nền, các bộ dò quang InGaAs ghép nối với ống dẫn sóng chủ yếu có thể được phân loại thành hai loại: dựa trên INP và dựa trên Si. Vật liệu epitaxial trên nền InP có chất lượng cao và phù hợp hơn để chế tạo các thiết bị hiệu suất cao. Tuy nhiên, đối với vật liệu nhóm III-V được phát triển hoặc liên kết trên nền Si, do có nhiều sự không khớp giữa vật liệu InGaAs và nền Si, nên chất lượng vật liệu hoặc giao diện tương đối kém và vẫn còn nhiều chỗ để cải thiện hiệu suất của các thiết bị.

Độ ổn định của cảm biến quang trong nhiều môi trường ứng dụng khác nhau, đặc biệt là trong điều kiện khắc nghiệt, cũng là một trong những yếu tố then chốt trong ứng dụng thực tế. Trong những năm gần đây, các loại cảm biến mới như perovskite, vật liệu hữu cơ và vật liệu hai chiều, vốn thu hút nhiều sự chú ý, vẫn đang phải đối mặt với nhiều thách thức về độ ổn định lâu dài do bản thân vật liệu dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường. Trong khi đó, quá trình tích hợp vật liệu mới vẫn chưa hoàn thiện, và vẫn cần được nghiên cứu thêm để sản xuất quy mô lớn và đạt được tính nhất quán về hiệu suất.

Mặc dù việc đưa cuộn cảm vào sử dụng có thể tăng băng thông của thiết bị một cách hiệu quả hiện nay, nhưng nó chưa phổ biến trong các hệ thống truyền thông quang kỹ thuật số. Do đó, làm thế nào để tránh các tác động tiêu cực nhằm giảm hơn nữa các tham số RC ký sinh của thiết bị là một trong những hướng nghiên cứu của bộ tách sóng quang tốc độ cao. Thứ hai, khi băng thông của bộ tách sóng quang ghép nối ống dẫn sóng tiếp tục tăng, ràng buộc giữa băng thông và độ nhạy lại bắt đầu xuất hiện. Mặc dù bộ tách sóng quang Ge/Si và bộ tách sóng quang InGaAs với băng thông 3dB vượt quá 200GHz đã được báo cáo, nhưng độ nhạy của chúng vẫn chưa đạt yêu cầu. Làm thế nào để tăng băng thông mà vẫn duy trì độ nhạy tốt là một chủ đề nghiên cứu quan trọng, có thể đòi hỏi phải đưa vào các vật liệu tương thích quy trình mới (độ linh động cao và hệ số hấp thụ cao) hoặc các cấu trúc thiết bị tốc độ cao mới để giải quyết. Ngoài ra, khi băng thông thiết bị tăng lên, các kịch bản ứng dụng của bộ tách sóng trong các liên kết quang tử vi sóng sẽ dần tăng lên. Không giống như trường hợp công suất quang nhỏ và độ nhạy cao trong truyền thông quang học, trường hợp này, trên cơ sở băng thông cao, có nhu cầu công suất bão hòa cao đối với công suất cao. Tuy nhiên, các thiết bị băng thông cao thường sử dụng cấu trúc kích thước nhỏ, do đó việc chế tạo các bộ tách sóng quang tốc độ cao và công suất bão hòa cao không hề dễ dàng, và có thể cần những cải tiến hơn nữa trong việc trích xuất hạt mang và tản nhiệt của thiết bị. Cuối cùng, việc giảm dòng tối của các bộ tách sóng quang tốc độ cao vẫn là một vấn đề mà các bộ tách sóng quang có sự không khớp mạng cần giải quyết. Dòng tối chủ yếu liên quan đến chất lượng tinh thể và trạng thái bề mặt của vật liệu. Do đó, các quy trình then chốt như epitaxy dị chất lượng cao hoặc liên kết dưới hệ thống không khớp mạng cần được nghiên cứu và đầu tư nhiều hơn.