بالنسبة للإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون، أجهزة الكشف الضوئية السيليكونية
كاشفات ضوئيةتحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية، ومع استمرار تحسن معدلات نقل البيانات، أصبحت كواشف الضوء عالية السرعة المدمجة مع منصات الإلكترونيات البصرية القائمة على السيليكون أساسيةً لمراكز البيانات وشبكات الاتصالات من الجيل التالي. ستقدم هذه المقالة لمحة عامة عن كواشف الضوء المتقدمة عالية السرعة، مع التركيز على كاشفات الجرمانيوم القائمة على السيليكون (Ge أو Si).كاشفات ضوئية من السيليكونلتكنولوجيا الإلكترونيات البصرية المتكاملة.
يُعد الجرمانيوم مادةً جذابةً للكشف عن الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء على منصات السيليكون، نظرًا لتوافقه مع عمليات CMOS، وقدرته العالية على الامتصاص عند أطوال موجات الاتصالات. وأكثر تركيبات كاشف الضوء شيوعًا بين الجرمانيوم والسيليكون هو الصمام الثنائي الدبوسي، حيث يقع الجرمانيوم الداخلي بين منطقتي النوع P والنوع N.
هيكل الجهاز يوضح الشكل 1 دبوسًا رأسيًا نموذجيًا من نوع Ge أوكاشف ضوئي للسيليكونبناء:
تشمل الميزات الرئيسية: طبقة امتصاص الجرمانيوم المزروعة على ركيزة السيليكون؛ تستخدم لجمع جهات اتصال p وn لحاملات الشحنة؛ اقتران الموجات الموجهة لامتصاص الضوء بكفاءة.
النمو الفوقي: يُعدّ نمو الجرمانيوم عالي الجودة على السيليكون تحديًا نظرًا لعدم توافق الشبكة بين المادتين بنسبة 4.2%. عادةً ما تُستخدم عملية نمو من خطوتين: نمو طبقة عازلة في درجة حرارة منخفضة (300-400 درجة مئوية) وترسيب الجرمانيوم في درجة حرارة عالية (فوق 600 درجة مئوية). تساعد هذه الطريقة على التحكم في خلع الخيوط الناتج عن عدم توافق الشبكة. يُقلّل التلدين بعد النمو عند درجة حرارة 800-900 درجة مئوية كثافة خلع الخيوط إلى حوالي 10^7 سم². خصائص الأداء: يُمكن لجهاز الكشف الضوئي Ge/Si PIN الأكثر تطورًا تحقيق ما يلي: استجابة > 0.8 أمبير/واط عند 1550 نانومتر؛ عرض نطاق ترددي > 60 جيجاهرتز؛ تيار معتم <1 ميكرو أمبير عند انحياز -1 فولت.
التكامل مع منصات الإلكترونيات البصرية القائمة على السيليكون
التكاملأجهزة الكشف الضوئية عالية السرعةباستخدام منصات الإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون، تُمكّن هذه المنصات من إنتاج أجهزة إرسال واستقبال ضوئية متطورة ووصلات بينية. طريقتا التكامل الرئيسيتان هما: التكامل الأمامي (FEOL)، حيث يُصنع الكاشف الضوئي والترانزستور في آنٍ واحد على ركيزة سيليكونية، مما يسمح بالمعالجة في درجات حرارة عالية، مع شغل مساحة الشريحة. التكامل الخلفي (BEOL). تُصنع الكاشفات الضوئية فوق المعدن لتجنب التداخل مع CMOS، ولكنها تقتصر على درجات حرارة معالجة منخفضة.
الشكل 2: الاستجابة وعرض النطاق الترددي لكاشف ضوئي عالي السرعة من Ge/Si
تطبيق مركز البيانات
تُعدّ أجهزة الكشف الضوئي عالية السرعة عنصرًا أساسيًا في الجيل القادم من ربط مراكز البيانات. تشمل التطبيقات الرئيسية: أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية: بمعدلات 100 جيجابت، 400 جيجابت، وأعلى، باستخدام تعديل PAM-4؛كاشف ضوئي عالي النطاق الترددي(>50 جيجاهرتز) مطلوب.
دائرة متكاملة بصرية إلكترونية تعتمد على السيليكون: تكامل متجانس للكاشف مع المُعدِّل والمكونات الأخرى؛ محرك بصري مدمج وعالي الأداء.
الهندسة المعمارية الموزعة: الترابط البصري بين الحوسبة الموزعة والتخزين والتخزين؛ مما يؤدي إلى زيادة الطلب على أجهزة الكشف الضوئي عالية النطاق الترددي وكفاءة الطاقة.
النظرة المستقبلية
سيظهر مستقبل أجهزة الكشف الضوئية عالية السرعة المتكاملة الإلكترونية البصرية الاتجاهات التالية:
معدلات بيانات أعلى: دفع تطوير أجهزة الإرسال والاستقبال 800G و1.6T؛ هناك حاجة إلى أجهزة كشف ضوئي ذات نطاقات ترددية أكبر من 100 جيجاهرتز.
تحسين التكامل: تكامل شريحة واحدة من مادة III-V والسيليكون؛ تكنولوجيا التكامل ثلاثية الأبعاد المتقدمة.
مواد جديدة: استكشاف المواد ثنائية الأبعاد (مثل الجرافين) لاكتشاف الضوء فائق السرعة؛ سبيكة جديدة من المجموعة الرابعة لتغطية الطول الموجي الممتد.
التطبيقات الناشئة: تعمل تقنية LiDAR وتطبيقات الاستشعار الأخرى على دفع تطوير APD؛ تطبيقات الفوتون الميكروويفي التي تتطلب كاشفات ضوئية عالية الخطية.
أصبحت الكواشف الضوئية عالية السرعة، وخاصةً الكواشف الضوئية المصنوعة من الجرمانيوم والسيليكون، محركًا رئيسيًا في الإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون والاتصالات الضوئية من الجيل التالي. يُعدّ التقدم المستمر في المواد وتصميم الأجهزة وتقنيات التكامل أمرًا بالغ الأهمية لتلبية الطلب المتزايد على النطاق الترددي لمراكز البيانات وشبكات الاتصالات المستقبلية. ومع استمرار تطور هذا المجال، نتوقع رؤية كواشف ضوئية ذات نطاق ترددي أعلى وضوضاء أقل وتكامل سلس مع الدوائر الإلكترونية والفوتونية.
وقت النشر: ٢٠ يناير ٢٠٢٥