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Die Herausforderungen und Möglichkeiten der Silizium-Photonik bei der Anwendung optischer Module

Der Stand der Silizium-Photonik-Technologie bei der Anwendung von optischen Modulen

Mit der Reife der Wellenleitertheorie und der Produktion einer Reihe neuer Design-Geräte hat die Industrie die Silicon Photonics-Technologie vorgeschlagen, die auf CMOS-Herstellungsprozessen basiert. Silicon Photonics nutzt die ausgereifte Siliziumwafer-Verarbeitungstechnologie der traditionellen Halbleiterindustrie. Es kann Wellenleitervorrichtungen in großem Maßstab auf dem Siliziumsubstrat durch einen Ätzprozess verarbeiten. Durch die Verwendung von Prozessen wie dem epitaktischen Wachstum ist es möglich, Schlüsselvorrichtungen wie Modulatoren und Empfänger vorzubereiten und schließlich eine hohe Integration von Modulatoren, Empfängern und passiven optischen Vorrichtungen zu erreichen.

Der Stand der Silizium-Photonik-Technologie bei der Anwendung von optischen Modulen

Zusätzlich zum Laser kann die Silicon Photonics-Technologie die integrierte Herstellung verschiedener Bauelemente im optischen Modul realisieren, wobei die meisten Komponenten im optischen Modul abgedeckt werden, der Laserchip jedoch nicht enthalten ist.

Da Silizium eine indirekte Bandlücke ist, befinden sich das Leitungsbandminimum (Leitungsbandboden) und das Vollbandmaximum in unterschiedlichen Positionen im k-Raum. Der elektronische Übergang muss gleichzeitig die potentielle Energie und die kinetische Energie ändern. Der Laser muss auf Photonen basieren und die Rekombination der Locheffizienz ist sehr gering und die Lichtausbeute ist extrem gering.

Derzeit umfassen Chip-Level-Geräte, die auf der Basis von Silicon Photonics-Prozessen ausgereift wurden, hauptsächlich optische Wellenleiter, Multiplexer-Geräte, externe Modulationsgeräte, APD-Empfänger usw.

Die Konstruktions- und Prozessrouten der großen Hersteller sind jedoch immer noch sehr unterschiedlich, und es gibt viele technische Routen. Aus dieser Perspektive ist auch ersichtlich, dass sich die Silicon Photonics-Technologie noch in einem frühen Stadium der Entwicklung befindet und die Lösung mit der höchsten Kostenleistung und technischen Stabilität noch nicht von der Masse abgehoben wurde. Die Silicon Photonics-Technologie benötigt noch eine gewisse Zeit von Niederschlag und Entwicklung, um sich auf die endgültig erfolgreiche Mainstream-Technologie zu konzentrieren und dann eine größere Rolle im Skaleneffekt des CMOS-Prozesses zu spielen, können Kosten und Ausbeute kontinuierlich optimiert werden.

Der Stand der Silizium-Photonik-Technologie bei der Anwendung von optischen Modulen

Drei Schlüsselpunkte der Silizium-Photonik-Technologie

1. Silizium-Wellenleiter

Der Wellenleiter verwendet einen anderen Brechungsindex, um eine Totalreflexion zu bilden, die den Übertragungsweg der optischen Faser einschränkt. Der Brechungsindex von Silicium ist sehr groß, der absolute Brechungsindex liegt über 3.4 und der Brechungsindex von Siliciumdioxidmaterial beträgt etwa 1.5. Die derzeit übliche Wellenleiterverarbeitungstechnologie ist SiOx / SiON über dem Plattieren oder Laserdirektschreiben, wobei durch Laserfokussierung der Brechungsindex innerhalb der Kieselsäure geschmolzen und geändert wird.

Der Siliziumwellenleiter ist eine wichtige passive Struktur im optischen Siliziummodul. Die Übertragungssteuerung und die Kopplung des optischen Weges werden durch den Wellenleiter vervollständigt. Die Wellenleitertechnologie ist eine der Kerntechnologien in der Silicon Photonics-Technologie, und eine große Anzahl passiver Komponenten (Teilungen, Verbindungswellen, Ringresonatoren usw.) kann durch die Siliziumwellenleitertechnologie auf dem Chip implementiert werden.

Da jedoch der Brechungsindex von Silizium zu hoch ist und die Wellenleitergröße klein ist, ist die Punktgröße im Wellenleiter klein und das optische Modul wird schließlich mit der optischen Faser (tatsächlich der Kernschicht der optischen Faser) verbunden ), und die Fehlanpassung zwischen dem Siliziumwellenleiter und dem optischen Fasermodenfeld führt zu einer hohen Einfügungsdämpfung. Der Modenfelddurchmesser (MFD) des Siliziumwellenleiters beträgt ungefähr 0.4 – 0.5μm, während der Modenfelddurchmesser der Einmodenfaser 9 – 10μm beträgt und der Kopplungsverlust extrem groß ist (ungefähr -20dB).

2. Siliziumbasierter Modulator

Bei den optischen Modulen Modulation gibt es interne Modulation und externe Modulation.

Die interne Modulation legt über den Treiberchip unterschiedliche Spannungen an den Laserchip an und passt die Lichtleistung an, um eine optische Signalmodulation zu realisieren. Mit zunehmender Übertragungsrate treten bei der internen Modulation Leistungsengpässe auf. Bei hohen Raten ist es schwierig, das Extinktionsverhältnis und den Chirp des optischen Chips mit interner Modulation zu erfüllen. Aufgrund der Streuung der Lichtleitfaser ist die Fehlerrate des Übertragungssystems zu hoch. Die Entwicklung der Modulation beschleunigt sich allmählich. Bei der externen Modulation emittiert der Laser weiterhin Photonik und die Intensität des optischen Ausgangssignals wird durch die Ein-Aus-Modulation des Modulators ausgegeben.

Das Siliziummaterial hat einen starken elektrooptischen Effekt und einen thermooptischen Effekt. Nach dem Anlegen von externer Energie kann die Phasenänderung realisiert werden, und die Phasendifferenz zwischen den beiden Strahlen kann gesteuert werden, um die Mach-Zehnder-Interferenz (MZI) zu realisieren, um die Intensitätsmodulation des optischen Ausgangssignals zu realisieren. Basierend auf der Silicon Photonics-Technologie eignet es sich daher sehr gut zur Herstellung hochintegrierter externer MZI-Modulatoren.

3. Silizium-Germanium-Detektor

Passend zum Sendeende benötigt das optische Modul auch einen Empfangsdetektor, der das optische Signal empfängt. Da Si eine Bandlücke von 1.12eV und eine Absorptionsgrenzwellenlänge von 1.1 um aufweist, kann das Siliziummaterial für das Kommunikationsband nicht absorbiert werden (1.31 um bis 1.55 um, was hauptsächlich dem Wellenlängenfenster mit geringem Verlust der Faser entspricht). Für die Detektoren, die am Empfangsende auf Siliziumbasis angebracht sind, müssen andere Materialien verwendet werden. Die Materialien, die das optische Kommunikationsarbeitsband absorbieren können, sind hauptsächlich InP, InGaAs und Ge.

Die Absorptionskoeffizienten der Germaniummaterialien sowohl bei der Wellenlänge 1310nm als auch bei der Wellenlänge 1550nm sind größer. Häufig verwendete Empfängerdetektoren werden typischerweise aus diesem Materialtyp hergestellt.

Die Herausforderungen der Siliziumphotonik bei der Anwendung optischer Module

Das Gehäuse auf der Basis von optischen Siliziumchips ist immer noch schwierig, und der Prozess und die Ausbeute müssen noch verbessert werden.

Die Silizium-Optik-Chip-Technologie ist relativ ausgereift, es gibt jedoch immer noch viele technische Schwierigkeiten beim Verpackungsprozess vom Chip zum optischen Modul. Die Verpackungsausbeute und die Kosten müssen noch optimiert werden.

1. Faserkopplung

Auf den beiden technischen Wegen muss das Design der Struktur zur Umwandlung von endgekoppelten Modenfeldern verbessert werden, und der Isolator muss die Echostörung reduzieren. Die feste Bearbeitung der Faseranordnung in der V-Nut ist schwierig zu automatisieren, und die Gesamtbearbeitungskosten sind hoch. Das Gitterkopplungsverfahren hat eine geringe Bandbreite und ist polarisationsempfindlich. Es muss das Polarisationsquadrat kontrollieren und es muss ein geeigneter Fixierkleber verwendet werden, um eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten. Gleichzeitig wird die Faser vertikal herausgeführt, und das Modul mit einer Standardform muss den Biegeverlust reduzieren.

2. Laser-Integration

Die Platzierungsgenauigkeit der Platzierung ist extrem hoch, der Chipversiegelungsprozess ist kompliziert und die Ausbeute ist gering.

3. Wärmemanagement

Der optische Siliziumchip ist temperaturempfindlich. Wenn die Gitterstruktur verwendet wird, ist der Temperatureinfluss signifikanter. Strengeres Simulationsdesign und Strukturoptimierung sind erforderlich, und die Stromverbrauchssteuerung muss weiter optimiert werden.

Die Herausforderungen und Möglichkeiten der Silizium-Photonik bei der Anwendung optischer Module

Die Möglichkeiten der Siliziumphotonik bei der Anwendung optischer Module

Gegenwärtig umfassen optische Siliziummodulprodukte hauptsächlich optische Nahbereichs-Datenzentrumsmodule und kohärente Telekommunikations-Fernbereichs-Optikmodule.

1. Optisches Rechenzentrumsmodul

Aufgrund der idealen Arbeitsumgebung mit konstanter Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Rechenzentrum sind die Anforderungen an die Verpackung von optischen Modulen relativ gering. Aufgrund der großen Nachfrage innerhalb von 2km in Verbindung mit den hohen Anforderungen an niedrige Kosten, hohe Geschwindigkeit, hohe Dichte usw. ist das optische Modul für Rechenzentren für eine große Anzahl von Anwendungen von Silicon Photonics besser geeignet.

2. Kohärentes optisches Langstreckenmodul

Die kohärenten optischen Module werden für die DCI-Verbindung in Rechenzentren oder für die Fernkommunikation im Backbone-Netzwerk von Telekommunikationsmetropolen verwendet. Durch die kohärente Modulation wird im Vergleich zur herkömmlichen externen MZI-Modulation zusätzlich zur Amplitudenmodulation eine Phasenmodulation hinzugefügt. Zu den derzeit gängigen Technologien gehören 8QAM und 16QAM, und 64QAM befindet sich ebenfalls in Forschung und Entwicklung.

Eine kohärente Modulation erfordert die Aufteilung des Quellensignals in zwei Kanäle mit der gleichen Frequenz und einer Phasendifferenz von 90 ° und die anschließende getrennte Modulation der beiden Photonenkanäle zur Bildung von Interferenzstreifen. Nach dem 50 / 50-Split-Richtkoppler auf der Empfangsseite und der Eigenquelle kann das Originalsignal auf der Sendeseite abgeleitet werden, um Rauschen in der Übertragungsstrecke zu beseitigen. Die hochintegrierte Wellenleitertechnologie der Siliziumphotonik und die Phasenmodulationsfähigkeit eignen sich sehr gut zur Herstellung von kohärenten Modulationsvorrichtungen. Die kohärenten optischen Module, die auf der DSP-Verarbeitungstechnologie der Hochgeschwindigkeits-Digitalsignalverarbeitungstechnologie basieren, stoßen jedoch häufig auf große Energieverbrauchsprobleme.

Auf dem Forschungsgebiet der kohärenten optischen Kommunikation Gigalight unabhängig entwickelt a 100G CFP-DCO kohärenter optischer Transceiver. Es maßgeschneiderte F & E für Metropolitan Area Network-Anwendungen für die Zusammenschaltung von Rechenzentren. In dem Anwendungsszenario unter 100km, dem optimierten DSP-Algorithmus für optische Geräte und Treiber mit geringem Stromverbrauch, ist der Gesamtstromverbrauch geringer als bei 24W. Dies entspricht der Ein-Schlüssel-Auswahl der Verbindungsumgebung für ITU-T G.692 100km und IEEE (mehr als 10km), das die Merkmale Benutzerfreundlichkeit, Flexibilität, geringer Stromverbrauch und geringe Latenzzeit vollständig verkörpert und die zukünftige Entwicklungsrichtung von optischen Hochgeschwindigkeitskommunikationsgeräten darstellt.

Gleichzeitig, Gigalight kann kundenspezifische Systemlösungen gemäß den Anwendungsszenarien des Kunden bereitstellen.

Der Stand der Silizium-Photonik-Technologie bei der Anwendung von optischen Modulen

In den nächsten Jahren, Gigalight Die Ingenieure werden die neue Silicon Photonics-Technologie unter den bestehenden Bedingungen anwenden, um ein kohärentes optisches Kommunikationsmodul mit niedrigerer Leistung für das optische 200G- oder sogar 400G-Übertragungsnetzwerk für den Aufbau einer neuen Generation von optischen Kommunikationsnetzen zu entwickeln.

Dies ist ein Originalartikel von Gigalight. Falls reproduziert, geben Sie bitte die Quelle an: https://www.gigalight.com/community/the-challenges-and-opportunities-of-silicon-photonics-in-the-application-of-optical-modules/

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