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광학 모듈의 응용 분야에서 실리콘 포토닉스의 문제점과 기회

광 모듈 응용 분야의 실리콘 포토닉스 기술 현황

Waveguide 이론의 성숙과 일련의 새로운 디자인 디바이스 생산으로 업계에서는 CMOS 제조 공정을 기반으로 한 Silicon Photonics 기술을 제안했습니다. Silicon Photonics는 전통적인 반도체 산업의 매우 성숙한 실리콘 웨이퍼 처리 기술을 사용합니다. 그것은 에칭 프로세스에 의해 실리콘 기판상의 대규모 도파관 디바이스를 처리 할 수 ​​있습니다. 에피 택셜 성장과 같은 공정을 사용함으로써, 변조기 및 수신기와 같은 주요 장치를 준비 할 수 있고, 마지막으로 변조기, 수신기 및 수동 광학 장치의 고집적화를 달성 할 수있다.

광 모듈 응용 분야의 실리콘 포토닉스 기술 현황

레이저 이외에도 실리콘 포토닉스 기술은 광 모듈 내부의 대부분의 구성 요소를 포함하지만 레이저 칩을 포함하지 않는 광 모듈의 다양한 장치를 통합적으로 제조 할 수 있습니다.

실리콘은 간접 밴드 갭이기 때문에, 전도 대역 최소 (전도 대역 바닥)와 전체 대역 최대는 k 공간에서 다른 위치에있다. 전자 전이는 동시에 포텐셜 에너지와 운동 에너지를 변화시켜야합니다. 레이저는 광자 기반 일 필요가 있으며, 홀 효율의 재결합은 매우 낮으며 발광 효율은 극히 낮습니다.

현재 Silicon Photonics 공정을 기반으로 성숙 된 칩 레벨 장치는 주로 광 도파관, 멀티플렉서 장치, 외부 변조 장치, APD 수신기 등을 포함합니다.

그러나 주요 제조업체의 설계 및 공정 경로에는 여전히 큰 차이점이 있으며 많은 기술적 경로가 있습니다. 이러한 관점에서 볼 때, Silicon Photonics 기술은 아직 개발 초기 단계에 있으며, 비용 대비 최고의 성능과 기술적 인 안정성을 갖춘 솔루션이 아직 대중에서 눈에 띄지는 못했지만, Silicon Photonics 기술에는 아직 기간이 필요합니다 강수량 및 개발, 최종 우승 주류 기술에 집중하기 위해, 그리고 CMOS 프로세스의 규모 효과에 큰 역할을하기 위해, 비용 및 수율은 지속적으로 최적화 할 수 있습니다.

광 모듈 응용 분야의 실리콘 포토닉스 기술 현황

실리콘 포토닉스 기술의 3 가지 요점

1. 실리콘 도파관

도파관은 광섬유의 전송 경로를 제약하는 전반사를 형성하기 위해 다른 굴절률을 사용합니다. 실리콘의 굴절률은 매우 크고 절대 굴절률은 3.4 이상이며 실리카 물질의 굴절률은 1.5 정도입니다. 현재의 일반적인 도파관 공정 기술은 실리카 내부의 굴절률을 녹이고 변화시키는 레이저 집속에 의한 SiOx / SiON 오버 클래딩 또는 레이저 직접 쓰기입니다.

실리콘 도파관은 실리콘 광 모듈에서 중요한 수동 구조입니다. 전송 제어 및 광 경로의 결합은 도파관에 의해 완료된다. Waveguide 기술은 Silicon Photonics 기술의 핵심 기술 중 하나이며, 실리콘 도파관 기술로 수많은 수동 부품 (스플릿, 조인트 파, 링 공진기 등)을 칩에 구현할 수 있습니다.

그러나, 실리콘의 굴절률이 너무 높아 도파로 사이즈가 작기 때문에, 도파로의 스폿 사이즈가 작고, 광 모듈이 최종적으로 광섬유 (실제로, 광섬유의 코어 층 ), 실리콘 도파로와 광섬유 모드 필드 사이의 불일치는 높은 삽입 손실을 초래한다. 실리콘 도파관의 모드 필드 직경 (MFD)은 약 0.4-0.5μm이며 단일 모드 광섬유의 모드 필드 직경은 9-10μm이며 결합 손실은 매우 크다 (약 -20dB).

2. 실리콘 기반 변조기

광 모듈 변조, 내부 변조 및 외부 변조가 있습니다.

내부 변조는 구동 칩을 통해 레이저 칩에 서로 다른 전압을인가하고 발광 신호를 조절하여 광 신호 변조를 구현한다. 전송 속도가 계속 증가함에 따라 내부 변조는 성능 병목 현상에 직면하게됩니다. 높은 속도에서, 내부 변조 광 칩의 소광비 및 첩 (chirp)은 요구 조건을 충족시키는 것이 어렵다. 광섬유의 분산으로 인해 전송 시스템의 오류율이 너무 높습니다. 변조의 발전은 점차 가속화되고 있습니다. 외부 변조에서 레이저는 포토닉스를 계속 방출하고 출력 광 신호의 강도는 변조기의 On-Off 변조를 통해 출력됩니다.

실리콘 소재는 강한 전기 광학 효과와 열 광학 효과를 가지고 있습니다. 외부 에너지를 가한 후, 상 변화를 구현할 수 있으며, 출력 광 신호의 세기 변조를 실현하기 위해 마하 젠더 간섭 (MZI)을 실현하기 위해 두 빔 간의 위상차를 제어 할 수 있습니다. 따라서 Silicon Photonics 기술을 기반으로 고도로 통합 된 MZI 외부 변조기를 준비하는 데 매우 적합합니다.

3. 실리콘 게르마늄 검출기

전송 단과 일치하여, 광 모듈은 또한 광 신호를 수신하는 수신 검출기를 필요로한다. Si는 1.12eV의 밴드 갭과 1.1μm의 흡수 차단 파장을 가지므로 실리콘 소재는 통신 대역 (주로 섬유의 저손실 파장 창과 일치하는 1.31μm ~ 1.55μm)에 흡수 될 수 없습니다. 실리콘 기반 수신단에 적용된 감지기의 경우 다른 재료를 사용해야합니다. 광통신 작용 밴드를 흡수 할 수있는 재료는 주로 InP, InGaAs 및 Ge이다.

1310nm 및 1550nm 파장 모두에서 게르마늄 재료의 흡수 계수는 더 크며, 일반적으로 사용되는 수신기 검출기는 일반적으로 이러한 유형의 재료로 제조됩니다.

광 모듈 적용시 실리콘 포토닉스의 과제

실리콘 광 칩을 기반으로 한 패키지는 여전히 어려우며 공정 및 생산량을 개선해야합니다.

실리콘 광 칩 기술은 비교적 성숙했지만 칩에서 광 모듈로의 패키징 프로세스에는 여전히 많은 기술적 어려움이 있습니다. 패키징 수율 및 비용은 여전히 ​​최적화되어야합니다.

1. 섬유 커플 링

두 가지 기술적 인 경로에서 최종 결합 모드 - 필드 변환 구조의 설계가 개선되어야하고, 아이솔레이터는 반향 간섭을 감소시킬 필요가있다. V- 그루브 내의 섬유 어레이의 고정 된 처리는 자동화가 어렵고, 전체 처리 비용이 높다. 격자 결합 방법은 낮은 대역폭을 가지며 편광에 민감합니다. 그것은 편광 스퀘어 (square square)를 제어 할 필요가 있고, 충분한 강도를 제공하기 위해 적절한 고정 접착제가 필요합니다. 동시에, 섬유는 수직으로 도출되고, 표준 형상을 갖는 모듈은 굽힘 손실을 감소시킬 필요가있다.

2. 레이저 통합

배치의 배치 정밀도가 매우 높고, 칩 실링 공정이 복잡하며, 수율이 낮다.

3. 열 관리

실리콘 광학 칩은 온도에 민감합니다. 격자 구조가 사용되면, 온도 영향이 더 중요합니다. 보다 엄격한 시뮬레이션 설계 및 구조적 최적화가 필요하며 전력 소비 제어는 추가 최적화가 필요합니다.

광학 모듈의 응용 분야에서 실리콘 포토닉스의 문제점과 기회

광 모듈 응용 분야에서 실리콘 포토닉스의 기회

현재 실리콘 광 모듈 제품은 주로 근거리 데이터 센터 광 모듈과 중거리 원거리 통신 코 히어 런트 광 모듈을 포함합니다.

1. 데이터 센터 광 모듈

데이터 센터의 일정한 온도 및 습도의 이상적인 작업 환경으로 인해 광 모듈 패키징 요구 사항은 상대적으로 낮습니다. 데이터 센터 광 모듈 시장에서 2km 내의 많은 수요와 저비용, 고속, 고밀도 등의 강력한 요구 조건으로 인해 실리콘 포토닉스의 많은 응용 분야에 더 적합합니다.

2. 중거리 장거리 코 히어 런트 광 모듈

코 히어 런트 광 모듈은 데이터 센터 또는 텔레콤 대도시 지역 백본 네트워크 장거리 통신에서 DCI 연결에 사용되며, 코 히어 런트 변조는 진폭 변조 외에 위상 변조를 추가하며 기존의 MZI 외부 변조와 비교됩니다. 현재 주류 기술로는 8QAM과 16QAM이 있으며 64QAM 또한 연구 개발 중에 있습니다.

코 히어 런트 변조는 소스 신호를 90 °의 위상차를 갖는 동일한 주파수의 2 개의 채널로 분할 한 다음 간섭 줄무늬를 형성하도록 광자의 2 개의 채널을 개별적으로 변조하는 것을 필요로한다. 수신단에서의 50 / 50 분할 방향성 결합기 및 고유 소스 후에, 송신단에서의 원래 신호가 유도되어 전송 링크에서의 잡음을 제거 할 수있다. 실리콘 포토 닉의 고도로 집적 된 도파관 기술 및 위상 변조 능력은 코 히어 런트 변조 장치의 제조에 매우 적합합니다. 그러나, 고속 디지털 신호 처리 기술의 DSP 처리 기술에 기초한 코 히어 런트 광 모듈은 종종 큰 전력 소비 문제를 겪는다.

코 히어 런트 광 통신의 연구 분야에서, Gigalight 독립적으로 개발 된 100G CFP-DCO 코 히어 런트 광 트랜시버. 데이터 센터 상호 연결을 위해 대도시 네트워크 애플리케이션을위한 R & D를 맞춤 설정했습니다. 아래의 애플리케이션 시나리오에서 ITU-T G.100 24km 및 IEEE를 충족하는 링크 환경의 단일 키 선택에 따라 692km, 저전력 실리콘 광 장치 및 드라이버, 최적화 된 DSP 알고리즘, 전체 전력 소비가 100W보다 낮습니다 (10km 이상), 고속 광통신 장치의 향후 개발 방향을 나타내는 유용성, 유연성, 저전력 소모 및 낮은 대기 시간 특성을 완벽하게 구현합니다.

동시에, Gigalight 고객 애플리케이션 시나리오에 따라 맞춤형 시스템 솔루션을 제공 할 수 있습니다.

광 모듈 응용 분야의 실리콘 포토닉스 기술 현황

다음 몇 년 안에, Gigalight 엔지니어들은 기존의 조건 하에서 새로운 실리콘 포토닉스 기술을 채택하여 차세대 광통신 네트워크 구축을위한 200G 또는 400G 광 전송 네트워크 용 저전력 코 히어 런트 광 통신 모듈을 개발할 예정이다.

이것은 쓴 원본 기사입니다 Gigalight. 재현 된 경우 출처를 알려주십시오. https://www.gigalight.com/community/the-challenges-and-opportunities-of-silicon-photonics-in-the-application-of-optical-modules/

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