برای الکترونیک نوری مبتنی بر سیلیکون، آشکارسازهای نوری سیلیکونی
ردیاب های نوریسیگنال‌های نوری را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند و با بهبود مداوم نرخ انتقال داده‌ها، آشکارسازهای نوری پرسرعت که با پلتفرم‌های اپتوالکترونیک مبتنی بر سیلیکون ادغام شده‌اند، به کلید مراکز داده و شبکه‌های مخابراتی نسل بعدی تبدیل شده‌اند. این مقاله مروری بر آشکارسازهای نوری پرسرعت پیشرفته، با تأکید بر ژرمانیوم مبتنی بر سیلیکون (آشکارساز نوری Ge یا Si) ارائه می‌دهد.آشکارسازهای نوری سیلیکونیبرای فناوری اپتوالکترونیک یکپارچه.
ژرمانیوم ماده‌ای جذاب برای تشخیص نور مادون قرمز نزدیک روی پلتفرم‌های سیلیکونی است زیرا با فرآیندهای CMOS سازگار است و جذب بسیار قوی در طول موج‌های مخابراتی دارد. رایج‌ترین ساختار آشکارساز نوری Ge/Si دیود پین است که در آن ژرمانیوم ذاتی بین نواحی نوع P و نوع N قرار گرفته است.
ساختار دستگاه شکل 1 یک پین عمودی معمولی Ge یاآشکارساز نوری Siساختار:
ویژگی‌های اصلی عبارتند از: لایه جاذب ژرمانیوم رشد یافته روی زیرلایه سیلیکونی؛ مورد استفاده برای جمع‌آوری تماس‌های p و n حامل‌های بار؛ کوپلینگ موجبر برای جذب نور کارآمد.
رشد اپیتاکسیال: رشد ژرمانیوم با کیفیت بالا روی سیلیکون به دلیل عدم تطابق شبکه‌ای ۴.۲٪ بین این دو ماده، چالش برانگیز است. معمولاً از یک فرآیند رشد دو مرحله‌ای استفاده می‌شود: رشد لایه بافر در دمای پایین (۳۰۰-۴۰۰ درجه سانتیگراد) و رسوب ژرمانیوم در دمای بالا (بالای ۶۰۰ درجه سانتیگراد). این روش به کنترل نابجایی‌های رزوه‌دار ناشی از عدم تطابق شبکه کمک می‌کند. عملیات حرارتی پس از رشد در دمای ۸۰۰-۹۰۰ درجه سانتیگراد، چگالی نابجایی‌های رزوه‌دار را به حدود ۱۰^۷ سانتی‌متر مربع کاهش می‌دهد. ویژگی‌های عملکرد: پیشرفته‌ترین آشکارساز نوری Ge/Si PIN می‌تواند به موارد زیر دست یابد: پاسخگویی، > ۰.۸ آمپر بر وات در ۱۵۵۰ نانومتر؛ پهنای باند، > ۶۰ گیگاهرتز؛ جریان تاریک، < ۱ میکروآمپر در بایاس -۱ ولت.
ادغام با پلتفرم‌های اپتوالکترونیک مبتنی بر سیلیکون
ادغامآشکارسازهای نوری پرسرعتبا پلتفرم‌های اپتوالکترونیک مبتنی بر سیلیکون، فرستنده-گیرنده‌های نوری پیشرفته و اتصالات داخلی امکان‌پذیر می‌شود. دو روش اصلی ادغام به شرح زیر است: ادغام جلویی (FEOL)، که در آن آشکارساز نوری و ترانزیستور به طور همزمان روی یک بستر سیلیکونی ساخته می‌شوند که امکان پردازش در دمای بالا را فراهم می‌کند، اما فضای تراشه را اشغال می‌کند. ادغام پشتی (BEOL). آشکارسازهای نوری برای جلوگیری از تداخل با CMOS روی فلز ساخته می‌شوند، اما به دماهای پردازش پایین‌تر محدود می‌شوند.
شکل ۲: پاسخگویی و پهنای باند یک آشکارساز نوری Ge/Si پرسرعت
کاربرد مرکز داده
آشکارسازهای نوری پرسرعت، جزء کلیدی در نسل بعدی اتصال مراکز داده هستند. کاربردهای اصلی عبارتند از: فرستنده-گیرنده‌های نوری: 100G، 400G و نرخ‌های بالاتر، با استفاده از مدولاسیون PAM-4؛آشکارساز نوری با پهنای باند بالا(>50 گیگاهرتز) مورد نیاز است.
مدار مجتمع اپتوالکترونیکی مبتنی بر سیلیکون: ادغام یکپارچه آشکارساز با مدولاتور و سایر اجزا؛ یک موتور نوری جمع و جور و با کارایی بالا.
معماری توزیع‌شده: اتصال نوری بین محاسبات توزیع‌شده، ذخیره‌سازی و ذخیره‌سازی؛ افزایش تقاضا برای آشکارسازهای نوری با پهنای باند بالا و مصرف انرژی کارآمد.
چشم‌انداز آینده
آینده‌ی آشکارسازهای نوری پرسرعت اپتوالکترونیکی یکپارچه، روندهای زیر را نشان خواهد داد:
نرخ داده بالاتر: محرک توسعه فرستنده-گیرنده‌های ۸۰۰G و ۱.۶T؛ آشکارسازهای نوری با پهنای باند بیش از ۱۰۰ گیگاهرتز مورد نیاز هستند.
ادغام بهبود یافته: ادغام تک تراشه‌ای مواد III-V و سیلیکون؛ فناوری ادغام سه‌بعدی پیشرفته.
مواد جدید: بررسی مواد دوبعدی (مانند گرافن) برای تشخیص نور فوق سریع؛ یک آلیاژ جدید گروه IV برای پوشش طول موج گسترده.
کاربردهای نوظهور: لیدار و سایر کاربردهای حسگری، توسعه APD را هدایت می‌کنند؛ کاربردهای فوتون مایکروویو که به آشکارسازهای نوری با خطی بودن بالا نیاز دارند.
آشکارسازهای نوری پرسرعت، به ویژه آشکارسازهای نوری Ge یا Si، به محرک اصلی الکترونیک نوری مبتنی بر سیلیکون و ارتباطات نوری نسل بعدی تبدیل شده‌اند. پیشرفت‌های مداوم در مواد، طراحی دستگاه و فناوری‌های یکپارچه‌سازی برای برآوردن نیازهای رو به رشد پهنای باند مراکز داده و شبکه‌های مخابراتی آینده مهم هستند. با ادامه تکامل این حوزه، می‌توانیم انتظار داشته باشیم که آشکارسازهای نوری با پهنای باند بالاتر، نویز کمتر و ادغام یکپارچه با مدارهای الکترونیکی و فوتونیکی را ببینیم.
زمان ارسال: 20 ژانویه 2025