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Le sfide e le opportunità della fotonica del silicio nell'applicazione dei moduli ottici

Lo stato della tecnologia della silicio fotonica nell'applicazione del modulo ottico

Con la maturità della teoria della guida d'onda e la produzione di una serie di nuovi dispositivi di progettazione, l'industria ha proposto la tecnologia Silicon Photonics basata sui processi di produzione CMOS. Silicon Photonics utilizza la tecnologia di elaborazione dei wafer di silicio molto matura dell'industria tradizionale dei semiconduttori. Può elaborare dispositivi su guida d'onda su larga scala sul substrato di silicio mediante processo di incisione. Utilizzando processi come la crescita epitassiale, è possibile preparare dispositivi chiave come modulatori e ricevitori e infine ottenere un'alta integrazione di modulatori, ricevitori e dispositivi ottici passivi.

Lo stato della tecnologia della silicio fotonica nell'applicazione del modulo ottico

Oltre al laser, la tecnologia Silicon Photonics può realizzare la produzione integrata di vari dispositivi nel modulo ottico, coprendo la maggior parte dei componenti all'interno del modulo ottico, ma non include il chip laser.

Poiché il silicio è un gap di banda indiretto, la banda di conduzione minima (fondo conduttivo della banda) e il massimo della banda totale si trovano in posizioni diverse nello spazio k. La transizione elettronica ha bisogno di cambiare l'energia potenziale e l'energia cinetica allo stesso tempo. Il laser deve essere basato su fotoni e la ricombinazione dell'efficienza del foro è molto bassa e l'efficienza luminosa è estremamente bassa.

Al momento, i dispositivi a livello di chip che sono stati maturati in base ai processi di Silicon Photonics includono principalmente guide d'onda ottiche, dispositivi multiplexer, dispositivi di modulazione esterna, ricevitori APD, ecc.

Tuttavia, le linee di progettazione e di processo dei principali produttori presentano tuttora grandi differenze e vi sono molti percorsi tecnici. Da questa prospettiva, si può anche vedere che la tecnologia Silicon Photonics è ancora nella fase iniziale di sviluppo, e la soluzione con le più alte prestazioni di costo e stabilità tecnica non è ancora stata distinta dalla massa, la tecnologia Silicon Photonics ha ancora bisogno di un periodo di precipitazione e sviluppo, al fine di concentrarsi sulla tecnologia mainstream vincente finale, e quindi di svolgere un ruolo più ampio nell'effetto scala del processo CMOS, i costi e la resa possono essere continuamente ottimizzati.

Lo stato della tecnologia della silicio fotonica nell'applicazione del modulo ottico

Tre punti chiave della tecnologia Silicon Photonics

1. Silicon Waveguide

La guida d'onda utilizza un indice di rifrazione diverso per formare la riflessione totale, che limita il percorso di trasmissione della fibra ottica. L'indice di rifrazione del silicio è molto grande, l'indice di rifrazione assoluto è superiore a 3.4 e l'indice di rifrazione del materiale di silice è circa 1.5. L'attuale tecnologia di elaborazione della guida d'onda comune è SiOx / SiON sul rivestimento o la scrittura diretta laser, mediante messa a fuoco laser, fonde e modifica l'indice di rifrazione all'interno della silice.

La guida d'onda in silicio è una struttura passiva importante nel modulo ottico in silicio. Il controllo della trasmissione e l'accoppiamento del percorso ottico sono completati dalla guida d'onda. La tecnologia a guida d'onda è una delle tecnologie chiave nelle tecnologie di silicio fotonico e un gran numero di componenti passivi (spaccature, onde articolari, risuonatori ad anello, ecc.) Possono essere implementati on-chip mediante la tecnologia a guida d'onda in silicio.

Tuttavia, poiché l'indice di rifrazione del silicio è troppo alto, e la dimensione della guida d'onda è piccola, la dimensione dello spot nella guida d'onda è piccola, e il modulo ottico è infine collegato alla fibra ottica (infatti, lo strato centrale della fibra ottica ) e il disallineamento tra la guida d'onda del silicio e il campo della modalità a fibra ottica comporta un'elevata perdita di inserzione. Il Mode-Field-Diameter (MFD) della guida d'onda del silicio è di circa 0.4-0.5μm, mentre il diametro del campo modalità della fibra monomodale è 9-10μm, e la perdita di accoppiamento è estremamente grande (circa -20dB).

2. Modulatore a base di silicio

La modulazione dei moduli ottici, ci sono la modulazione interna e la modulazione esterna.

La modulazione interna applica tensioni diverse al chip laser attraverso il chip di guida e regola la potenza luminosa per realizzare la modulazione del segnale ottico. Poiché la velocità di trasmissione continua ad aumentare, la modulazione interna affronta i colli di bottiglia delle prestazioni. A frequenze elevate, il rapporto di estinzione e il chirp del chip ottico di modulazione interna sono difficili da soddisfare i requisiti. A causa della dispersione della fibra ottica, il tasso di errore del sistema di trasmissione è troppo alto. Lo sviluppo della modulazione sta gradualmente accelerando. Nella modulazione esterna, il laser continua ad emettere fotonica e l'intensità del segnale ottico di uscita viene emessa attraverso la modulazione On-Off del modulatore.

Il materiale siliconico ha un forte effetto elettro-ottico e un effetto termo-ottico. Dopo aver applicato l'energia esterna, è possibile realizzare il cambio di fase e la differenza di fase tra i due fasci può essere controllata per realizzare l'Interferenza Mach-Zehnder (MZI) per realizzare la modulazione dell'intensità del segnale ottico di uscita. Pertanto, basato sulla tecnologia Silicon Photonics, è molto adatto per la preparazione di modulatori esterni MZI altamente integrati.

3. Rivelatore al germanio di silicio

In corrispondenza con l'estremità trasmittente, il modulo ottico necessita anche di un rilevatore ricevente che riceve il segnale ottico. Poiché Si ha un intervallo di banda di 1.12eV e una lunghezza d'onda di taglio di assorbimento di 1.1μm, il materiale di silicio non può essere assorbito per la banda di comunicazione (1.31μm a 1.55μm, che corrisponde principalmente alla finestra di lunghezza d'onda a bassa perdita della fibra). Per i rivelatori applicati all'estremità ricevente a base di silicio, è necessario utilizzare altri materiali. I materiali che possono assorbire la banda di lavoro della comunicazione ottica sono principalmente InP, InGaAs e Ge.

I coefficienti di assorbimento dei materiali di germanio alle lunghezze d'onda di 1310nm e 1550nm sono maggiori, i rivelatori di ricevitore comunemente usati sono tipicamente fabbricati da questo tipo di materiale.

Le sfide della fotonica del silicio nell'applicazione dei moduli ottici

Il pacchetto basato su chip ottici di silicio è ancora difficile e il processo e la resa devono ancora essere migliorati.

La tecnologia dei chip ottici al silicio è relativamente matura, ma ci sono ancora molte difficoltà tecniche nel processo di confezionamento dal chip al modulo ottico. La resa e il costo dell'imballaggio devono ancora essere ottimizzati.

1. Accoppiamento di fibre

Nei due percorsi tecnici, è necessario migliorare la progettazione della struttura di conversione del campo di modalità accoppiata alla fine e l'isolatore è necessario per ridurre l'interferenza dell'eco. L'elaborazione fissa dell'array di fibre nella scanalatura a V è difficile da automatizzare e il costo di elaborazione complessivo è elevato. Il metodo di accoppiamento reticolo ha una larghezza di banda ridotta ed è sensibile alla polarizzazione. Ha bisogno di controllare il quadrato di polarizzazione e richiede una corretta colla di fissaggio per fornire una resistenza sufficiente. Allo stesso tempo, la fibra viene espulsa verticalmente e il modulo con una forma standard deve ridurre la perdita di flessione.

2. Integrazione laser

La precisione di posizionamento del posizionamento è estremamente elevata, il processo di sigillatura dei trucioli è complicato e la resa è bassa.

3. Gestione termica

Il chip ottico in silicio è sensibile alla temperatura. Se si utilizza la struttura reticolare, l'influenza della temperatura è più significativa. Sono necessari un progetto di simulazione più rigoroso e l'ottimizzazione strutturale, e il controllo del consumo energetico richiede ulteriore ottimizzazione.

Le sfide e le opportunità della fotonica del silicio nell'applicazione dei moduli ottici

Le opportunità della fotonica del silicio nell'applicazione dei moduli ottici

Attualmente, i prodotti del modulo ottico in silicio includono principalmente moduli ottici per data center a breve distanza e moduli ottici coerenti per telecomunicazioni a media distanza.

1. Modulo ottico per data center

A causa dell'ambiente di lavoro ideale per temperatura e umidità costanti nel data center, i requisiti di imballaggio dei moduli ottici sono relativamente bassi. Nel mercato dei moduli ottici per data center, a causa della grande richiesta di 2km, unita ai forti requisiti di basso costo, alta velocità, alta densità, ecc., È più adatta per un gran numero di applicazioni di Silicon Photonics.

2. Modulo ottico coerente medio a lungo raggio

I moduli ottici coerenti sono utilizzati per la connessione DCI nei centri dati o nella comunicazione a lunga distanza della rete backbone delle aree metropolitane di telecomunicazioni, la modulazione coerente aggiunge modulazione di fase oltre alla modulazione di ampiezza rispetto alla modulazione esterna MZI tradizionale. Attualmente le tecnologie tradizionali includono 8QAM e 16QAM e 64QAM è anche in fase di ricerca e sviluppo.

La modulazione coerente richiede la divisione del segnale sorgente in due canali della stessa frequenza con una differenza di fase di 90 °, e quindi modulando separatamente i due canali fotonici per formare frange di interferenza. Dopo l'accoppiatore direzionale diviso 50 / 50 all'estremità ricevente e alla sorgente intrinseca, il segnale originale all'estremità trasmittente può essere derivato per eliminare il rumore nel collegamento di trasmissione. La tecnologia a guida d'onda altamente integrata di silicio fotonico e la capacità di modulazione di fase sono molto adatte per la preparazione di dispositivi di modulazione coerente. Tuttavia, i moduli ottici coerenti basati sulla tecnologia di elaborazione DSP della tecnologia di elaborazione del segnale digitale ad alta velocità incontrano spesso grandi problemi di consumo di energia.

Nel campo di ricerca della comunicazione ottica coerente, Gigalight sviluppato in modo indipendente a 100G CFP-DCO ricetrasmettitore ottico coerente. Ha personalizzato la ricerca e lo sviluppo per le applicazioni di reti metropolitane per l'interconnessione dei data center. Nello scenario di applicazione sotto 100km, il dispositivo ottico e driver in silicio a bassa potenza, l'algoritmo DSP ottimizzato, il consumo energetico complessivo è inferiore a 24W, secondo la selezione one-key dell'ambiente di collegamento per soddisfare ITU-T G.692 100km e IEEE (più di 10km), che incarnano pienamente le caratteristiche di usabilità, flessibilità, basso consumo energetico e bassa latenza, rappresentando la direzione futura dello sviluppo di dispositivi di comunicazione ottica ad alta velocità.

Al tempo stesso, Gigalight può fornire soluzioni di sistema personalizzate in base agli scenari applicativi del cliente.

Lo stato della tecnologia della silicio fotonica nell'applicazione del modulo ottico

Nei prossimi anni, Gigalight gli ingegneri adotteranno la nuova tecnologia Silicon Photonics nelle condizioni esistenti per sviluppare un modulo di comunicazione ottica coerente di potenza inferiore per 200G o anche una rete di trasmissione ottica 400G per la costruzione di una nuova generazione di reti di comunicazione ottica.

Questo è un articolo originale scritto da Gigalight. Se riprodotto, si prega di indicare la fonte: https://www.gigalight.com/community/the-challenges-and-opportunities-of-silicon-photonics-in-the-application-of-optical-modules/

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