Đối với các thiết bị quang điện tử dựa trên silicon, cần sử dụng các bộ tách sóng quang silicon.
Bộ tách sóng quangCác thiết bị này chuyển 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 bộ tách sóng quang germanium (Ge hoặc Si) dựa trên silicon.bộ tách sóng quang siliconcho công nghệ quang điện tử tích hợp.
Germanium là một vật liệu hấp dẫn cho việc phát hiện ánh sáng cận hồng ngoại trên nền tảng silicon vì nó tương thích với quy trình CMOS và có khả năng hấp thụ cực mạnh ở các bước sóng viễn thông. Cấu trúc bộ tách sóng quang Ge/Si phổ biến nhất là điốt pin, trong đó germanium nội tại được kẹp giữa vùng loại P và vùng loại N.
Cấu trúc thiết bị Hình 1 cho thấy một chân Ge thẳng đứng điển hình hoặcBộ tách sóng quang Sikết cấu:
Các tính năng chính bao gồm: lớp hấp thụ germanium được nuôi cấy trên chất nền silicon; được sử dụng để thu thập các tiếp điểm p và n của các hạt tải điện; ghép nối ống dẫn sóng để hấp thụ ánh sáng hiệu quả.
Tăng trưởng epitaxy: Việc nuôi cấy germanium chất lượng cao trên silicon rất khó khăn do sự không khớp mạng tinh thể 4,2% giữa hai vật liệu. Thông thường, người ta sử dụng quy trình tăng trưởng hai bước: nuôi cấy lớp đệm ở nhiệt độ thấp (300-400°C) và lắng đọng germanium ở nhiệt độ cao (trên 600°C). Phương pháp này giúp kiểm soát các sai lệch đường ren gây ra bởi sự không khớp mạng tinh thể. Quá trình ủ sau khi nuôi cấy ở 800-900°C tiếp tục làm giảm mật độ sai lệch đường ren xuống khoảng 10^7 cm^-2. Đặc tính hiệu năng: Bộ tách sóng quang PIN Ge/Si tiên tiến nhất có thể đạt được: độ nhạy, > 0,8A/W ở 1550 nm; Băng thông, >60 GHz; Dòng điện tối, <1 μA ở điện áp phân cực -1 V.
Tích hợp với các nền tảng quang điện tử dựa trên silicon.
Sự tích hợp củabộ tách sóng quang tốc độ caoViệc sử dụng nền tảng quang điện tử dựa trên silicon cho phép tạo ra các bộ thu phát quang và các kết nối quang học tiên tiến. Hai phương pháp tích hợp chính như sau: Tích hợp phía trước (FEOL), trong đó bộ tách sóng quang và bóng bán dẫn được sản xuất đồng thời trên chất nền silicon, cho phép xử lý ở nhiệt độ cao, nhưng chiếm diện tích chip. Tích hợp phía sau (BEOL). Các bộ tách sóng quang được sản xuất trên lớp kim loại để tránh nhiễu với CMOS, nhưng bị giới hạn ở nhiệt độ xử lý thấp hơn.
Hình 2: Độ nhạy và băng thông của bộ tách sóng quang Ge/Si tốc độ cao
Ứng dụng trung tâm dữ liệu
Các bộ tách sóng quang tốc độ cao là một thành phần quan trọng trong thế hệ kết nối trung tâm dữ liệu tiếp theo. Các ứng dụng chính bao gồm: bộ thu phát quang: tốc độ 100G, 400G và cao hơn, sử dụng điều chế PAM-4; Abộ tách sóng quang băng thông cao(>50 GHz) là cần thiết.
Mạch tích hợp quang điện tử dựa trên silicon: tích hợp nguyên khối bộ 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 các hệ thống lưu trữ khác; thúc đẩy nhu cầu về các bộ tách sóng quang tiết kiệm năng lượng, băng thông cao.
Triển vọng tương lai
Tương lai của các bộ tách sóng quang tốc độ cao tích hợp sẽ thể hiện những xu hướng sau:
Tốc độ truyền dữ liệu cao hơn: Thúc đẩy sự phát triển của các bộ thu phát 800G và 1.6T; Cần có các bộ tách sóng quang với băng thông lớn hơn 100 GHz.
Cải thiện khả năng tích hợp: Tích hợp chip đơn vật liệu III-V và silicon; Công nghệ tích hợp 3D tiên tiến.
Vật liệu mới: Khám phá các vật liệu hai chiều (như graphene) để phát hiện ánh sáng siêu nhanh; Một hợp kim nhóm IV mới cho phạm vi bước sóng mở rộng.
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 đòi hỏi các bộ tách sóng quang có độ tuyến tính cao.
Các bộ tách sóng quang tốc độ cao, đặc biệt là bộ tách sóng quang Ge hoặc Si, đã trở thành động lực chính của ngành quang điện tử dựa trên silicon và truyền thông quang học thế hệ tiếp theo. Những tiến bộ liên tục trong vật liệu, thiết kế thiết bị và công nghệ tích hợp 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 kỳ vọng sẽ thấy các bộ tách sóng quang có băng thông cao hơn, độ nhiễu thấp hơn và tích hợp liền mạch với các mạch điện tử và quang tử.
Thời gian đăng bài: 20/01/2025