Đối với quang điện tử dựa trên silicon, bộ dò quang silicon
Bộ tách sóng quangchuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện và khi tốc độ truyền dữ liệu tiếp tục được cải thiện, các bộ tách sóng quang tốc độ cao tích hợp với nền tảng quang điện tử dựa trên silicon đã trở thành chìa khóa cho các trung tâm dữ liệu và mạng viễn thông thế hệ tiếp theo. Bài viết này sẽ cung cấp tổng quan về các bộ tách sóng quang tốc độ cao tiên tiến, tập trung vào germani dựa trên silicon (bộ tách sóng quang Ge hoặc Si)máy dò quang siliconcho công nghệ quang điện tử tích hợp.
Germanium là vật liệu hấp dẫn để phát hiện ánh sáng hồng ngoại gần trên nền tảng silicon vì nó tương thích với các quy trình CMOS và có khả năng hấp thụ cực mạnh ở các bước sóng viễn thông. Cấu trúc máy dò quang Ge/Si phổ biến nhất là diode pin, trong đó germanium nội tại được kẹp giữa các vùng loại P và loại N.
Cấu trúc thiết bị Hình 1 cho thấy một chân đứng điển hình Ge hoặcBộ dò quang Sikết cấu:
Các tính năng chính bao gồm: lớp hấp thụ germani được phát triển trên chất nền silicon; Được sử dụng để thu thập các tiếp điểm p và n của các hạt mang điện; Ghép nối ống dẫn sóng để hấp thụ ánh sáng hiệu quả.
Tăng trưởng epitaxial: Việc phát triển germani chất lượng cao trên silic là một thách thức do sự không khớp mạng tinh thể 4,2% giữa hai vật liệu. Một quy trình phát triển hai bước thường được sử dụng: phát triển lớp đệm ở nhiệt độ thấp (300-400°C) và lắng đọng germani ở nhiệt độ cao (trên 600°C). Phương pháp này giúp kiểm soát sự sai lệch luồng do sự không khớp mạng tinh thể gây ra. Ủ sau khi phát triển ở 800-900°C làm giảm thêm mật độ sai lệch luồng tinh thể xuống còn khoảng 10^7 cm^-2. Đặc điểm hiệu suất: Bộ tách sóng quang PIN Ge/Si tiên tiến nhất có thể đạt được: khả năng phản hồi, > 0,8A/W ở 1550 nm; Băng thông,> 60 GHz; Dòng điện tối, <1 μA ở độ lệch -1 V.
Tích hợp với nền tảng quang điện tử dựa trên silicon
Sự tích hợp củamáy dò ảnh tốc độ caovới nền tảng quang điện tử dựa trên silicon cho phép các bộ thu phát quang và kết nối tiên tiến. Hai phương pháp tích hợp chính như sau: Tích hợp đầu cuối (FEOL), trong đó bộ tách sóng quang và bóng bán dẫn được sản xuất đồng thời trên một chất nền silicon cho phép xử lý ở nhiệt độ cao, nhưng chiếm diện tích chip. Tích hợp đầu cuối (BEOL). Bộ tách sóng quang được sản xuất trên kim loại để tránh nhiễu với CMOS, nhưng bị giới hạn ở nhiệt độ xử lý thấp hơn.
Hình 2: Độ phản hồi và băng thông của bộ dò quang Ge/Si tốc độ cao
Ứng dụng trung tâm dữ liệu
Bộ dò quang tốc độ cao là thành phần chính trong thế hệ kết nối trung tâm dữ liệu tiếp theo. Các ứng dụng chính bao gồm: bộ thu phát quang: 100G, 400G và tốc độ cao hơn, sử dụng điều chế PAM-4; Amáy dò quang băng thông cao(>50 GHz) là bắt buộc.
Mạch tích hợp quang điện tử dựa trên silicon: tích hợp nguyên khối máy dò với bộ điều biến và các thành phần khác; Một động cơ quang học nhỏ gọn, hiệu suất cao.
Kiến trúc phân tán: kết nối quang học giữa điện toán phân tán, lưu trữ và lưu trữ; Thúc đẩy nhu cầu về bộ tách sóng quang băng thông cao, tiết kiệm năng lượng.
Triển vọng tương lai
Tương lai của các bộ tách sóng quang điện tử tốc độ cao tích hợp sẽ cho thấy các xu hướng sau:
Tốc độ dữ liệu cao hơn: Thúc đẩy sự phát triển của bộ thu phát 800G và 1.6T; Yêu cầu bộ tách sóng quang có băng thông lớn hơn 100 GHz.
Tích hợp cải tiến: Tích hợp chip đơn của vật liệu III-V và silicon; Công nghệ tích hợp 3D tiên tiến.
Vật liệu mới: Khám phá vật liệu hai chiều (như graphene) để phát hiện ánh sáng cực nhanh; Hợp kim nhóm IV mới để mở rộng phạm vi bước sóng.
Các ứng dụng mới nổi: LiDAR và các ứng dụng cảm biến khác đang thúc đẩy sự phát triển của APD; Các ứng dụng photon vi sóng yêu cầu bộ dò quang tuyến tính cao.
Các bộ tách sóng quang tốc độ cao, đặc biệt là các bộ tách sóng quang Ge hoặc Si, đã trở thành động lực chính của quang điện tử dựa trên silicon và truyền thông quang học thế hệ tiếp theo. Những tiến bộ liên tục về vật liệu, thiết kế thiết bị và công nghệ tích hợp là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng tăng của các trung tâm dữ liệu và mạng viễn thông trong tương lai. Khi lĩnh vực này tiếp tục phát triển, chúng ta có thể mong đợi thấy các bộ tách sóng quang có băng thông cao hơn, tiếng ồn thấp hơn và tích hợp liền mạch với các mạch điện tử và quang tử.
Thời gian đăng: 20-01-2025