光子集成电路

2023年6月20日

关键的外卖

光子与电子的历史,和集成的必要性。
光子集成电路提供的优势。
光子集成电路的构成和对未来发展的需要。

光子集成电路提供了巨大的收益数据吞吐量,但与电子集成电路,这仍是一个瓶颈。

光和电不同形式的相同现象:电磁辐射。光电效应,光子的吸收和发射导致电子在能量,增加或减少。它应该不足为奇,正如有组件由电力,还有那些直接依赖于传输频率的可见光和红外部分的电磁波谱。

光子集成电路是一种很有前途的新兴技术。许多电子集成电路的电流限制所面临的障碍是可以克服的光子,但该领域有其挑战。

比较电子和光子系统

	电子	光子
粒子的机制	电荷载体(电子/洞	光子
集成元件密度	10¹⁰	10⁴
半导体材料	如果	可,Si-Ph SOI,砷化镓
优势	易于制造广泛采用和行业知识现代功能超过大多数光学实现	极高的长距离传输速率以最小的损失传感器利用电磁光谱的新见解可能降低功耗和后代
缺点	技术的增长速度放缓,一些物理设备方法障碍	制造困难对于死亡和集成/包装的电子接口

光子学的介绍和演化

可以说比任何其他组件在电子技术中,它是持续发展的晶体管继续加快技术在过去的世纪。服务的双重目的一个开关放大器,其无处不在的特性使得它在人类历史上最生产项目。然而,增长率,正确预测的摩尔定律过去五年来,已接近其结论:晶体管小型化成为盒装的一些重要物理现实。应对这种停滞,许多新兴技术行业的努力,光子学是一个特别有前途的一个。

光学仪器不是全新的,与激光和光电探测器等设备以及通信技术如光纤支持电子系统在过去的几十年。在集成之前,这些光学组件大,沉重,和有限的电子电路。可伸缩性原因就像分立电子元件集成之前,行业不得不缩小光学组件,以避免大小、重量和功耗瓶颈。

光子集成电路介绍了20世纪后期,快速和持续改进,尽管不是在电子元件在20世纪中期的速度。不同的设计限制不太可能允许光子集成电路达到电子集成电路的密度,但记住这一限制,仍有重大机会采用和光子集成电路技术的不断成熟:

带宽距离-数字信息的编码高/低电信号的光脉冲多路跨多个频率。这允许异常高的数据传输速度,再加上极低的损失率的光缆相比,电气布线,使媒介高度适合电信等行业。
的可能性,分立电子元件在他们面前一样,遭受减少离散光学组件性能大小:光学组件可以漂移和位移随着时间的振动和温度的差异。这些微妙的系统规划和维护需要较高的技术能力。与此同时,光子集成电路可以绕过许多这些问题由于更严格的包装。

同样重要的是要理解有障碍光子集成电路的持续增长。光子集成电路产生更多的热量比传统ICs建立起来的电子晶体管,耗散技术需求更大的关注。包装也遇到挑战时,光子集成电路,一般来说,与电气接口ICs(相反的不一定是正确的)。

物料需求的光子集成电路

与硅电子集成电路,它是一个不同的元素,在光子集成电路:铟。硅仍然发挥作用,但是,同时使用半导体离散和利用不同材料特性:

磷化铟(InP) -最大的优势可在硅集成电路小型化的可以说是最重要的:它的本质直接禁带半导体材料。直接带隙材料的辐射重组独立于任何与声子相互作用,而不能说间接带隙材料相同。这个快速增长的速度在直接带隙材料辐射复合。在设备层面,这相当于InP转移率大于独立级硅。
硅光子学(Si-Ph)硅光子集成电路拥有许多好处:他们是兼容现有CMOS技术/基础设施,材料表现出比他更依赖于温度,和硅晶圆波导可以支持小弯曲半径。所有这些因素导致硅的相对轻松地扩展和制造业更大的热可靠性。不幸的是,提到的间接带隙性质扼杀其带宽,以及缺乏直接激光集成模具导致更大的成本和包装的并发症。
混合硅-杂化硅将个体力量的输入和Si-Ph Si-Ph基础上通过将输入元素,而不是低效率的两种材料连接的方法。混合硅提供了一个潜在的降低成本和功耗的大道,同时保留硅的可伸缩性,但意识到这些突破需要持续的研究和开发。

光子集成电路的市场应用是必要的,以满足不断增长的需求为大型数据传输速率在几个行业。因此,设备的设计使用或依赖于这些ICs将继续增加在未来几年。