پیشرفت تحقیق و چالش های تراشه های فوتونیک مبتنی بر سیلیکون

0020-34694,0020-34695,0021-20572,0020-26973,0020-27455,0040-09893, 0040-04745, 0040-39553 ,0021-36743 ,0020-33806 قطعاتی هستند که در فرآیند PVD، CVD، ETCH اعمال می شوند.

تراشه های فوتونیک مبتنی بر سیلیکون از فوتون ها به عنوان رسانه انتقال اطلاعات استفاده می کنند که دارای مزایای پهنای باند بالا، سرعت بالا، یکپارچگی بالا و سازگاری با فرآیند CMOS است و در بسیاری از زمینه ها دارای ارزش کاربردی است. یک تراشه فوتونی کامل مبتنی بر سیلیکون یک منبع نور، موجبر نوری، مدولاتور، فیلتر، آشکارساز و سایر دستگاه‌ها را ادغام می‌کند که می‌تواند تولید، مسیریابی، مدولاسیون، پردازش و تشخیص نور را درک کند و این عملکردها با هم یک حلقه نوری شبیه به یک مدار مجتمع الکترونیکی، به گونه ای که انتقال، کنترل و پردازش اطلاعات را تحقق بخشد.

به گزارش MEMS Consulting، تیم تحقیقاتی پروفسور یانگ جیانی و محقق دانشیار وانگ یوهای از دانشکده اطلاعات و مهندسی الکترونیک دانشگاه ژجیانگ پلتفرم های مواد مختلف تراشه های فوتونیک مبتنی بر سیلیکون را معرفی کردند و پیشرفت تحقیقات و چالش های خود را در این زمینه ها بررسی کردند. ارتباط نوری و اتصال نوری، محاسبات نوری، حسگر زیستی، لیدار روی تراشه و کوانتوم نوری، و در نهایت خلاصه شد. محتوای پژوهشی مرتبط با عنوان «پیشرفت تحقیق و چالش‌های تراشه‌های فوتونیک مبتنی بر سیلیکون» در مجله «Semiconductor Optoelectronics» منتشر شد.

پلت فرمی برای تولید تراشه های فوتونیکی مبتنی بر سیلیکون

شکل 1 پیش بینی ارزش بازار اپتوالکترونیک مبتنی بر سیلیکون را در سناریوهای کاربردی مختلف توسط موسسه تحقیقات بازار Yole نشان می دهد و اندازه بازار کل صنعت الکترونیک نوری مبتنی بر سیلیکون در سال 2026 به 1.1 میلیارد دلار تخمین زده می شود. انواع پلت فرم های تولیدی وجود دارد. برای تراشه‌های فوتونیک مبتنی بر سیلیکون، و در زیر معرفی مختصری از چهار پلتفرم تولیدی رایج است: سیلیکون روی عایق‌ها (SOI)، گروه SiN، III.-V (GaAs و InP)، و لایه‌های نازک نیوبات لیتیوم روی بسترهای سیلیکونی.

شکل 1 بازارVآلوForecast ازSمبتنی بر آیکونPهاتونیک هاIn DمتفاوتAکاربرد Sسناریوها

 

پلت فرم SOI

SOI تنها از سیلیکون و دی اکسید سیلیکون تشکیل شده است و پلت فرم مواد اولیه برای تراشه های فوتونی مبتنی بر سیلیکون است. پنجره شفاف مواد سیلیکونی 1270 ~ 1650 نانومتر است، بنابراین نسبت به نور در نوار ارتباطی فیبر نوری تقریباً شفاف است. برای تشکیل یک حلقه نوری، انواع اجزای غیرفعال و فعال باید روی پلت فرم SOI یکپارچه شوند.

اجزای غیرفعال نیازی به مدولاسیون الکتریکی خارجی ندارند، مانند موجبرها، تشدید کننده‌های میکرورینگ (MRR)، تداخل‌سنج‌های ماخ زندر (MZIs)، گریتینگ‌ها و غیره، که در آنها موجبرها وسایل اصلی هستند. هسته و روکش موجبر مستطیلی SOI به ترتیب سیلیکون و دی اکسید سیلیکون است و ضریب شکست سیلیکون و سیلیس در طول موج 1550 نانومتر به ترتیب حدود ۳.۵ و ۱.۴۵ است. اجزای فعال شامل لیزرها، مدولاتورها، آشکارسازها و غیره است. از نظر منبع نور، سیلیکون یک ماده باندگپ غیرمستقیم با بازده نوری کم است و برای منبع نور مناسب نیست، بنابراین نیاز به ترکیب با مواد دیگر مانند منبع نور دوپینگ خاکی کمیاب، منبع نور گروه III.-V، منبع نور گروه IV و غیره. مدولاتورهای SOI معمولاً از مدولاسیون حرارتی یا مدولاسیون پراکندگی حامل استفاده می کنند. شکل 2 یک آشکارساز ژرمانیوم از نوع ساندویچی با ساختاری شبیه ترانزیستور باله (FinFET) را نشان می دهد که توسط IHP در آلمان در سال 2021 منتشر شد، که عرض منطقه ذاتی ژرمانیوم و اضافه کاری حامل را برای دستیابی به پهنای باند تا 3 دسی بل کاهش می دهد. 265 گیگاهرتز در 1550 نانومتر، پیشی گرفتن از تمام آشکارسازهای یکپارچه مبتنی بر سیلیکون قبلی، با پاسخگویی 0.3 A/W و جریان تاریک عامل 100 تا 200 nA.

شکل 2. سطح مقطع آشکارساز ژرمانیوم با ساختار FinFET

علاوه بر این، اثرات غیرخطی فراوانی نیز در سیلیکون وجود دارد، مانند اختلاط چهار موجی، اثر کر، اثر پراکندگی حامل و غیره که می‌توان از آنها در شانه فرکانس نوری، اپتیک کوانتومی و سایر زمینه‌ها استفاده کرد. با این حال، هنگامی که قدرت پمپ بالا باشد، اثرات جذب دو فوتون و جذب حامل آزاد در سیلیکون رخ می دهد که منجر به تلفات غیرخطی اضافی می شود.

گناهسکو

SiN برای جداسازی ترانزیستورهای منفرد در فرآیند CMOS تراشه‌های میکروالکترونیک سنتی استفاده می‌شود و همچنین به عنوان یک ماده دروازه برای نوعی ترانزیستور اثر میدانی استفاده می‌شود که می‌تواند به عنوان یک پلت فرم مکمل برای SOI استفاده شود. پنجره شفاف بزرگ SiN و تلفات انتقال کم (<1 dB/m) from the visible band of 400 nm to the near-infrared band of 2350 nm enable MRRs with a figure of merit (Q) of up to one million. The core layer and cladding layer of SiN waveguides are SiN and SiO₂, respectively, and SiN materials also have good nonlinear effects, which are widely used in on-chip nonlinear studies. The recently developed SiN-on-SOI platform combines the advantages of both SiN and SOI platforms, and has application prospects in the fields of nonlinear optics, filters, low-loss waveguides, and integrated optical gyroscopes.

III.-V.FخانوادهPلاتفرم ها

مواد گروه III.-V سکوهای اصلی ساخت تراشه های ارتباطی نوری اولیه بودند. III.-V. ترکیبات، به ویژه آرسنید گالیم (GaAs)، فسفید ایندیم (InP) و غیره، به طور طبیعی مواد باند شکاف مستقیم هستند و باند ظرفیت بالایی و پایین نوار رسانایی آنها در فضای بردار موج k و بازترکیب الکترون‌ها در یک موقعیت قرار دارند. و سوراخ ها نیازی به تبادل تکانه ندارند، بازده کوانتومی درونی بالایی دارند، می توانند نور را به طور موثر ساطع کنند، و می توانند به عنوان یک ماده افزایش برای منابع لیزری استفاده شوند. ادغام ناهمگن منابع لیزر هیبریدی متشکل از III.-V. مواد گروه بر روی بستر Si یکی از راه‌های دستیابی به منابع نور بر روی بسترهای سیلیکونی است، اما ادغام ناهمگن پیچیدگی فرآیند تولید را افزایش می‌دهد. شکل 3 یک لیزر چاه کوانتومی 1550 نانومتری را نشان می‌دهد که مستقیماً بر روی یک بستر سیلیکونی با حداکثر توان خروجی پیوسته 18 مگاوات در دمای اتاق در سال 2019 رشد کرده است که توسط گروه جاناتان کلامکین در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا توسعه یافته است. شکل 4 یک لیزر قابل تنظیم نقطه کوانتومی را نشان می دهد که مستقیماً روی بستر سیلیکونی رشد کرده است که توسط گروه جان ای. باورز در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، در همان سال، با نسبت رد حالت لبه بیشتر از 45 دسی بل، یک محدوده قابل تنظیم طول موج، محقق شد. 16 نانومتر در دمای اتاق و توان خروجی بیشتر از 2.7 میلی وات.

شکل 3 شماتیکDنمودار از aQاوانتومWلیزر ell

شکل 4 شماتیکDنمودار از aQاوانتومDotTقادر نیستLaser

برنامه های کاربردی وCهالنگ هایSمبتنی بر آیکونPهاتونیکCباسن

نوریCارتباطات وOنوریIاتصال

در حال حاضر، سناریوی اصلی کاربرد تراشه های فوتونیکی مبتنی بر سیلیکون هنوز ارتباطات نوری است. تراشه های فوتونیک مبتنی بر سیلیکون دارای مزایای یکپارچگی بالا، پایداری خوب، مصرف انرژی کم و ویژگی های مدولاسیون فاز خوب هستند که نه تنها برای انتقال داده های طولانی مدت مناسب هستند، بلکه برای نیازهای مسافت های کوتاه و بزرگ نیز بسیار مناسب هستند. ظرفیت انتقال داده در داخل یا بین تراشه ها، و بسترهای ارتباطی نوری و اتصال نوری ایده آل هستند. از طریق ادغام یکپارچه مدارهای میکروالکترونیک، تراشه‌های فوتونیکی مبتنی بر سیلیکون می‌توانند به اتصال درون تراشه‌ای با سرعت بالا، پهنای باند بالا، کم مصرف و تأخیر کم دست یابند، در حالی که تعداد دستگاه‌های روی تراشه را کاهش می‌دهند و چگالی اتصال را افزایش می‌دهند. و شکستن محدودیت های تراشه های میکروالکترونیک فعلی در اتصال داده ها.

تراشه های فرستنده و گیرنده فوتوالکتریک مبتنی بر سیلیکون به طور گسترده ای مورد تحقیق و استفاده قرار گرفته اند و در ارتباطات داده با ظرفیت بالا اهمیت زیادی دارند و پیشرفت های زیادی در سال های اخیر حاصل شده است. ارتباطات نوری همچنین به آرایه های سوئیچینگ نوری در مقیاس بزرگ نیاز دارند. تعداد اتصالات ارتباطی در مراکز داده هر 2.5 سال دو برابر می شود که منجر به افزایش چشمگیر نیاز به اتصالات می شود که می تواند با فناوری بسته بندی نوری برطرف شود. علاوه بر این، فوتون ها دارای ابعاد چندگانه طول موج، پلاریزاسیون، حالت، زمان و منابع دیگر می توانند مورد استفاده قرار گیرند، فناوری مالتی پلکس چند بعدی به طور گسترده ای در ارتباطات فیبر نوری استفاده شده است، انتظار می رود همراه با تراشه های چند بعدی فوتونیک یکپارچه برای حل مشکلات جدید استفاده شود. بحران ظرفیت ارتباطات نوری در سال 2020، گروه تحقیقاتی Yikai Su در دانشگاه شانگهای Jiao Tong یک طرح چند بعدی چند بعدی روی تراشه را برای سیگنال های قطبش طول موج-حالت با استفاده از یک ساختار بککوپلر مبتنی بر شبکه های طول موج زیرموج آبشاری (SWG) پیشنهاد کرد، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 5. شماتیکDنمودار کانال 8-Mفوق بعدیMultiplexingSساختار

ارتباطات نوری مبتنی بر سیلیکون و تراشه های اتصال نوری در حال حاضر با سه چالش عمده روبرو هستند: (1) منبع نور روی تراشه بستر سیلیکونی. منابع نوری روی تراشه می توانند یکپارچگی و بهره وری انرژی شبکه های اتصال نوری را بهبود بخشند و مشکل منبع نور یک چالش بزرگ برای کل فناوری اپتوالکترونیک مبتنی بر سیلیکون است. در حال حاضر، منبع نور نسبتاً بالغ روی تراشه بستر سیلیکونی بر اساس مواد گروه III.-V است و لیزرهای گروه III.-V بر روی تراشه های فوتونیکی مبتنی بر سیلیکون از طریق ادغام هیبریدی یا ادغام ناهمگن محقق می شوند. (2) پهنای باند مدولاسیون به دلیل اثر پراکندگی حامل محدود است. انتظار می رود استفاده از مکانیسم های مدولاسیون جدید مانند لیتیوم نیوبات این مشکل را حل کند. (3) ادغام در مقیاس بزرگ و بسته بندی قابل اعتماد. اکنون می توان از فناوری بسته بندی مشترک برای بهبود قابلیت های یکپارچه سازی در مقیاس بزرگ استفاده کرد.

 

محاسبات نور

در سال‌های اخیر، فناوری‌هایی مانند هوش مصنوعی، شبکه‌های عصبی، پردازش گفتار و تشخیص تصویر به سرعت توسعه یافته‌اند و سناریوهای پردازش و تحلیل داده‌های با ظرفیت بالا تقاضای شدیدی برای قدرت محاسباتی ایجاد کرده‌اند. پردازش داده‌های کنونی بر تراشه‌های میکروالکترونیک سنتی متکی است، اگرچه این فناوری پردازش و ساخت تراشه بالغ است، به دلیل نقص‌های ساختاری، پهنای باند آن کوچک، سرعت پایین و مصرف انرژی زیاد است. انتظار می رود شبکه های عصبی نوری و محاسبات با کارایی بالا بر اساس تراشه های فوتونیکی مبتنی بر سیلیکون این مشکل را حل کنند.

شبکه های عصبی مصنوعی را می توان به عنوان ابزار پردازش داده برای هوش مصنوعی مورد استفاده قرار داد و محاسبات آنها بر روی تعداد زیادی عملیات ماتریسی متمرکز است، در حالی که شبکه های عصبی نوری تقریباً هیچ انرژی در این عملیات مصرف نمی کنند. شبکه‌های عصبی نوری عمدتاً شامل شبکه‌های عصبی پیش‌خور (FNN)، شبکه‌های عصبی بازگشتی (RNN) و شبکه‌های عصبی اسپکینگ (SNN) هستند که می‌توانند با استفاده از MZI یا MRR پیاده‌سازی شوند.

اگرچه تراشه‌های فوتونیک مبتنی بر سیلیکون پتانسیل کاربرد زیادی در محاسبات و شبکه‌های عصبی دارند، اگرچه از نظر سرعت محاسبات و مصرف انرژی نسبت به تراشه‌های میکروالکترونیک سنتی برتری دارند، اما همچنان در اجرای تمام نوری توابع فعال‌سازی غیرخطی شبکه‌های عصبی دارای کاستی‌هایی هستند. ادغام و الگوریتم های تطبیق تراشه های فوتونیکی.

بیوسنینگ

حسگر زیستی دستگاهی است که می تواند اطلاعات مربوط به ساختارهای مولکولی مانند پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک را به صدا، نور، الکتریسیته و سیگنال های دیگر تبدیل کند و به طور گسترده در تشخیص زیستی، کشف دارو، علوم زیستی و سایر زمینه های تحقیقاتی استفاده می شود. بیوسنسورهای نوری مبتنی بر سیلیکون از برهمکنش بین مولکول‌های زیستی و میدان نور برای تغییر فاز، شدت، طول موج و سایر پارامترهای نور استفاده می‌کنند و از تبدیل فوتوالکتریک برای تبدیل سیگنال نوری به سیگنال الکتریکی استفاده می‌کنند تا اطلاعات ساختاری نور را به دست آورند. مولکول های زیستی، که دارای مزایای حساسیت بالا، توانایی تداخل ضد الکترومغناطیسی قوی، ادغام چند منظوره راحت و انعطاف پذیری قوی است. با توجه به اصول مختلف حسگری، حسگرهای زیستی مبتنی بر سیلیکون را می توان به حسگر زیستی بر اساس تغییرات ضریب شکست، حس زیستی بر اساس فناوری فلورسانس و حسگر زیستی بر اساس پراکندگی رامان تقسیم کرد. حسگر زیستی بر اساس تغییر ضریب شکست از موج فرار موجبر استفاده می کند و برهمکنش بین موج فرورونده و محلولی که باید اندازه گیری شود، ضریب شکست روکش را تغییر می دهد و سپس ضریب شکست موثر و فاز موج نور را تغییر می دهد. موجبر MZI و MRR به عنوان مثال برای معرفی اصل این حس زیستی استفاده می شوند. MZI یک بیوسنسور تداخل سنجی است، یک بازو در هنگام کار با محلول برهمکنش می کند و اختلاف فاز دو بازو با محلول مورد اندازه گیری تغییر می کند و اطلاعات ماده مورد اندازه گیری را می توان با تشخیص طیف انتقال تشکیل شده توسط تداخل دو بازو در انتهای خروجی.

لیدار

LiDAR فناوری است که جهت گیری و سرعت هدف را با تابش پرتوهای لیزر تشخیص می دهد و کاربردهای مهمی در رانندگی خودکار، تصویربرداری سه بعدی و سایر زمینه ها دارد. لیدار سنتی از روش فرمان مکانیکی استفاده می کند که دارای معایب ساختار پیچیده، سایش آسان و آسان بودن تحت تأثیر دما و لرزش است. LiDAR مبتنی بر سیلیکون از آرایه فازی نوری حالت جامد (OPA) برای غلبه بر این مشکلات استفاده می کند. OPA بخش مهمی از لیدار بر روی بسترهای سیلیکونی است که مسئول تولید و انتشار سیگنال های تشخیص است و از چهار بخش تشکیل شده است: منبع لیزر، تقسیم کننده پرتو، شیفتر فاز و امیتر که می تواند در ارتباطات فضای آزاد، تشخیص، تصویربرداری استفاده شود. ، بیوسنینگ و سایر زمینه ها. معیارهای OPA عمدتاً شامل میدان دید (FOV)، پهنای پرتو، رد لوب جانبی، سرعت مدولاسیون، مصرف برق و غیره است که در آن FOV محدوده شکل‌دهی پرتو و فرمان را تعیین می‌کند و پهنای پرتو اندازه نقطه انتقال یا دریافت OPA را اندازه‌گیری می‌کند. .

.

شکل 6 نمودار OPA 1 بعدی و OPA 2 بعدی

 

نوریQاوانتوم

تراشه‌های کوانتومی نوری از راهنماهای موج برای هدایت فوتون‌ها استفاده می‌کنند که مدارهای کوانتومی پایدار فاز را با عملکردهای هسته، از جمله تولید حالت کوانتومی، دستکاری و تشخیص تک فوتون ارائه می‌کنند. در مقایسه با اپتیک‌های رومیزی سنتی، تراشه‌های کوانتومی نوری از یک کتابخانه دستگاه غیرفعال، کم تلف، چند بعدی و با کنترل آسان پلت‌فرم فوتونیکی مبتنی بر سیلیکون استفاده می‌کنند که برای ادغام در مقیاس بزرگ مناسب است و انتظار می‌رود این کار انجام شود. پردازش اطلاعات کوانتومی در مقیاس بزرگ با صدها یا هزاران فوتون، که می تواند به سرعت کاربرد عملی فناوری کوانتومی نوری را ارتقا دهد. در سال‌های اخیر، تراشه‌های کوانتومی نوری به سرعت توسعه یافته‌اند، که انتظار می‌رود توسعه محاسبات کوانتومی، ارتباطات کوانتومی، سنجش کوانتومی، شبیه‌سازی کوانتومی و علوم پایه را ارتقا دهد. منابع نور کوانتومی کاربردهای مهمی در ارتباطات کوانتومی، محاسبات کوانتومی و سایر زمینه ها دارند و به منابع تک فوتونی، منابع حالت درهم تنیده و منابع نوری متغیر پیوسته تقسیم می شوند. منابع تک فوتون روی تراشه را می توان با استفاده از موجبرهای سیلیکونی یا اختلاط خود به خود چهار موجی (SFWM) در MRR پیاده سازی کرد. SFWM یک اثر غیرخطی مرتبه سوم است که دو فوتون پمپ را به یک جفت فوتون سیگنال درهم تنیده با فرکانس و فوتون فرکانس بیکار تبدیل می کند و از جفت فوتون ها می توان برای پیش بینی یک منبع تک فوتون پس از گره خوردن استفاده کرد.

شکل 7WorkingPاصل وSخاصSساختار زانادوOنوریQاوانتومCمحاسبهCباسن

توسعه تراشه های کوانتومی نوری مبتنی بر سیلیکون نیز با مشکلات و چالش های زیادی مواجه است: (1) نیاز به شبکه های سوئیچینگ نوری سریع و کم تلفات. پردازش تعداد زیادی تک فوتون در کوتاه مدت مستلزم مالتی پلکس کردن و مالتیپلکس کردن منابع تک فوتونی است و اخیراً سوئیچ های تیتانات LN، Si-LN و Si-barium کاربردهای امیدوارکننده ای در این زمینه نشان داده اند. (2) یک تراشه کوانتومی نوری که به طور کامل یک منبع نور کوانتومی، یک حلقه و یک آشکارساز را ادغام می کند، هنوز محقق نشده است، و چالش در حذف نور پمپ و دستکاری فوتون ها در دمای پایین است. MRRهای آبشاری و MZI با نسبت رد تا 100 دسی بل گزارش شده‌اند که انتظار می‌رود اولین چالش را برطرف کنند، که انتظار می‌رود با یک سوئیچ Si-barium titanate با دمای پایین حل شود. (3) نحوه بهبود بیشتر عملکرد MBQC و نحوه غلبه بر خطا و تغییرپذیری در طول تولید در مقیاس بزرگ. انتظار می رود که همراه با قابلیت برنامه ریزی بالای تراشه های کوانتومی نوری و الگوریتم های یادگیری ماشین، نقص های تولید را جبران کند. توسعه تراشه‌های کوانتومی نوری ارتباط نزدیکی با فناوری اپتوالکترونیک مبتنی بر سیلیکون دارد و عملکرد کلیدی مدارهای کوانتومی نوری باید توسط مواد جدید، یکپارچه‌سازی پیشرفته و فرآیندهای بسته‌بندی هدایت شود. برای پاسخگویی به چالش های کوانتومی نوری یکپارچه و تقاضای بازار، نیاز به یک رویکرد هماهنگ، سرمایه گذاری در توسعه اجزای پلت فرم یکپارچه سازی فوتونیک جدید و زنجیره تامین، و ایجاد زیرساخت های ترکیبی و ادغام ناهمگن وجود دارد.