波导光电二极管：支持数据中心速度的新技术

数据中心和光收发器的演变

全球数据中心流量正在迅速增加。这种增长是由 AI/ML 开发和实施、云服务的传播以及视频流和 AR/VR 内容不断增长的用户群推动的。显然，这些趋势将持续下去。为了解决这一问题，骨干光通信网络需要进一步提高容量和传输速度。

为了向用户提供稳定的光通信服务，基础设施网络和数据中心需要以更高的速度和最小的延迟运行的网络。光收发器是这一过程中的关键组件。传统上，光收发器以 100Gbps 为标准运行，但为了响应网络加速要求，400G 和 800G 的高速产品在 2014 年左右开始进入市场。展望未来，光模块所需的速度预计将达到 1.6T 和 3.2Tbps。

光电二极管基本结构和挑战

光收发器是在电信号和光信号之间相互转换的设备。在发射器部分，半导体半导体激光管将电转换为光。在接收器部分，光电二极管 （PD） 将光信号转换为电信号。
虽然我们在上一篇文章中详细解释了光电二极管的基本结构和工作原理，但本文专门讨论了与高速运行相关的技术挑战。

波导光电二极管也是将通过光纤传输的光信号转换为电信号的器件。顾名思义，它们是将引导光的“波导”路径与将光转换为电的“光电二极管”相结合的组件。而光电二极管的基本结构和工作原理在我们之前的文章中详细解释了。本文特别关注与高速运行相关的挑战。传统光电二极管和波导光电二极管之间的主要区别在于它们的物理结构。

下图显示了典型光电二极管（pn 型）的结构。

传统的 pn 型光电二极管的结构是 p 型半导体层的顶部包含许多空穴（带正电荷的粒子），底部是包含许多带负电荷的电子的 n 型半导体层。在它们的交界处形成一个称为“耗尽层”的层，光主要在该区域附近被吸收。

Pn 型光电二极管的结构相对简单，制造相对容易。然而，这种简单的结构对实现高速性能提出了挑战。

光电二极管高速运行的关键因素是“带宽”。带宽表示每秒可以处理的信号数，带宽越大，可以在更短的时间内处理更多信息。例如，在 1GHz 的带宽下，每秒可以进行 10 亿次信号作。

在 pn 型光电二极管中，光吸收区（耗尽层）需要很厚才能有效吸收光。这是因为光穿过半导体的距离越长，可以吸收的光就越多。然而，当耗尽层增厚时，光产生的电子和空穴的传播距离会增加，从而导致器件响应时间变慢。

波导光电二极管的创新结构

为了解决这个问题，人们构思了具有新颖结构的波导光电二极管。波导光电二极管的设计可实现高效的光吸收和载流子移动，可以同时实现高速运行和高灵敏度。

在传统的光电二极管中，光从组件的顶部进入，吸收光的半导体层（例如耗尽层）将光转化为电能。相比之下，波导光电二极管的光从侧面进入，在通过由化合物半导体制成的称为“波导”的水平拉长层时逐渐被吸收，转化为电能。
这个概念可以比作从上方直接落在地面上的雨水（传统光电二极管）与流经长水平管道（波导型）的水（或实际上是光）。这种水平光传播特性允许光在吸收层内传播数十到数百微米的距离，显著提高了光吸收效率。创建薄波导层的能力也是一个关键优势。使用更薄的波导层，光产生的电子和空穴到达电极的传播时间减少，从而实现更快的响应。此外，制造更薄器件的能力有助于与同一基板上的其他光学元件集成，从而有助于元件的小型化。

因此，波导光电二极管是一种可以同时实现高光吸收效率和快速响应速度的技术。然而，实际实施仍然存在一些挑战，例如将光有效地耦合到细波导中。后续文章介绍了我们为应对这些挑战而采取的举措，并提供了更详细的应用示例。

迪睿合致力于通过开发波导光电二极管来实现下一代高速光通信。