Программируемые фотонные устройства, которые используют свет для выполнения сложных вычислений, становятся ключевой областью исследований в области интегральной фотоники. В отличие от традиционной электроники, передающей сигналы с помощью электронов, эти системы используют фотоны, обеспечивая более высокую скорость обработки, пропускную способность и энергоэффективность. Эти преимущества делают программируемую фотонику хорошо подходящей для таких задач, как глубокое обучение в реальном времени и вычисления с интенсивным использованием данных.
Однако основная проблема заключается в использовании мониторов мощности. Эти датчики должны постоянно отслеживать уровень оптической мощности сигнала и обеспечивать необходимую обратную связь для настройки компонентов чипа. Существующие на чипе фотодетекторы, разработанные для этой цели, сталкиваются с фундаментальным компромиссом. Они либо должны поглощать значительный объём оптического сигнала для достижения сильного считывания, что ухудшает качество сигнала, либо им не хватает чувствительности для работы на требуемых низких уровнях мощности без необходимости дополнительных усилителей.
Как сообщается в журнале Advanced Photonics, Юэ Ниу и Эндрю В. Пун из Гонконгского университета науки и технологий решили эту проблему, разработав фотодиод на основе кремниевого волновода с имплантированным германием. Их подход преодолевает компромиссы, которые мешали существующим технологиям мониторинга мощности на чипе.
Волноводный фотодиод
Волноводный фотодиод — это небольшой детектор света, который можно интегрировать непосредственно в оптический волновод, ограничивающий и транспортирующий свет. Его цель — преобразовать небольшую часть света, проходящего через волновод, в электрический сигнал, который можно измерить с помощью более традиционной электроники.
Один из способов улучшить это преобразование — ионная имплантация, процесс, при котором в кремниевую структуру фотодиода вводятся контролируемые дефекты путём бомбардировки ионами. Если всё выполнено правильно, эти дефекты могут поглощать фотоны с энергиями, слишком низкими для чистого кремния, что позволяет фотодиоду обнаруживать свет в более широком диапазоне длин волн.
Предыдущие попытки создания таких детекторов использовали ионы бора, фосфора или аргона. Хотя эти подходы улучшили производительность в некоторых отношениях, они также ввели в кремниевую решётку множество свободных носителей, что, в свою очередь, ухудшило оптические характеристики.
В отличие от них команда имплантировала ионы германия. Германий, элемент группы IV, подобный кремнию, может заменять атомы кремния в кристаллической структуре, не вводя значительного количества свободных носителей. Эта замена позволяет устройству расширить свою чувствительность без ущерба для качества сигнала.
Исследователи провели различные сравнительные эксперименты, чтобы протестировать новое устройство в соответствующих условиях. Фотодиод с имплантированным германием показал высокую чувствительность как на длине волны 1310 нанометров (O-диапазон), так и на длине волны 1550 нанометров (C-диапазон), двух критических длинах волн, используемых в телекоммуникациях. Он также продемонстрировал чрезвычайно низкий тёмный ток, что означает низкий уровень нежелательного выходного сигнала при отсутствии света, а также очень низкие потери на оптическое поглощение.
«Мы сравнили наши результаты с другими опубликованными платформами линейных фотодетекторов на чипе и показали, что наши устройства конкурентоспособны по различным показателям производительности для приложений мониторинга мощности в самокалибрующихся программируемых фотониках», — отмечает Пун.
В целом, это исследование представляет собой важный шаг на пути к практическим крупномасштабным программируемым фотонным системам. Предоставляя фотодетектор, который может удовлетворить строгие требования мониторинга на чипе, исследователи приблизили к реальности преобразующий потенциал вычислений на основе света.
Помимо непосредственного использования в программируемой фотонике, уникальные характеристики предлагаемого устройства также открывают двери для других перспективных приложений.
«Сочетание чрезвычайно низкого тёмного тока с низким напряжением смещения позиционирует наше устройство как идеального кандидата для энергоэффективных сверхчувствительных платформ биосенсинга, где первостепенное значение имеет обнаружение слабых оптических сигналов с низким уровнем шума», — объясняет Пун. «Это позволило бы напрямую интегрировать его с микрофлюидикой для систем «лаборатория на чипе».
Фотодиод с имплантированным германием может помочь в развитии программируемой фотоники, улучшая мониторинг света на чипе, а также может поддержать будущие приложения в биосенсинге и технологиях «лаборатория на чипе».
reported in Advanced Photonics, Yue Niu and Andrew W. Poon from The Hong Kong University of Science and Technology have addressed this challenge by developing a germanium-implanted silicon waveguide photodiode. Their approach overcomes the tradeoffs that have hindered existing on-chip power monitoring technologies.»,»A waveguide photodiode is a small light detector that can be integrated directly into an optical waveguide, which confines and transports light. Its purpose is to convert a small portion of the light traveling through the waveguide into an electrical signal that can be measured via more conventional electronics. One way to enhance this conversion is through ion implantation, a process that introduces controlled defects into the photodiode’s silicon structure by bombarding it with ions.»,»If executed properly, these defects can absorb photons with energies too low for pure silicon, enabling the photodiode to detect light across a broader range of wavelengths.»,»Previous attempts to build such detectors used boron, phosphorus, or argon ions. While these approaches improved performance in some respects, they also introduced many free carriers into the silicon lattice, which in turn degraded optical performance. In contrast, the team implanted germanium ions. Germanium, a Group IV element like silicon, can replace silicon atoms in the crystal structure without introducing significant numbers of free carriers. This substitution allows the device to extend its sensitivity without compromising signal quality.»,»The researchers conducted various comparative experiments to test the new device under relevant conditions. The germanium-implanted photodiode showed high responsivity at both 1,310 nanometers (O-band) and 1,550 nanometers (C-band), two critical wavelengths used in telecommunications. It also demonstrated an extremely low dark current, meaning little unwanted output when no light was present, as well as very low optical absorption loss. This combination makes the device suitable for integration into photonic circuits without disturbing the primary signal flow.»,»\»We benchmarked our results with other reported on-chip linear photodetector platforms and showed that our devices are competitive across various performance metrics for power monitoring applications in self-calibrating programmable photonics,\» remarks Poon.»,»Overall, this study represents a major step toward practical, large-scale programmable photonic systems. By providing a photodetector that can meet the stringent demands of on-chip monitoring, the researchers have brought the transformative potential of light-based computing closer to reality.»,»Beyond its immediate use in programmable photonics, the proposed device’s unique characteristics also open doors to other promising applications.»,»\»The combination of an extremely low dark current with a low bias voltage positions our device as an ideal candidate for energy-efficient, ultra-sensitive biosensing platforms, where low-noise detection of weak optical signals is paramount,\» explains Poon. \»This would enable direct integration with microfluidics for lab-on-chip systems.\»»,»The germanium-implanted photodiode may help advance programmable photonics by improving on-chip light monitoring and could also support future applications in biosensing and lab-on-chip technologies.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tSPIE\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник