波导光电二极管的开发——通过与 UTC-PD （Uni-Traveling Carrier光电二极管） 集成来提高速度的挑战

支持数据中心发展的新技术开发

近年来，由于 AI 技术的快速发展和视频流服务的扩展，全球数据流量迅速增加。与此同时，数据中心的功耗也有所增加。考虑到这种情况，从 SDGs 的角度来看，正在努力降低数据中心的功耗，要求数据中心内的电子设备（如服务器和交换机）以及光收发器等单个模块/设备具有更低的功耗。

在上一篇文章中，我们解释了传统表面型光电二极管面临的挑战，以及有望解决这些问题的波导光电二极管的基本结构。（您可以在此处查看“波导光电二极管：支持数据中心速度的新技术”。
在本文中，我们将介绍波导光电二极管与 UTC-PD 的组合，以进一步提高性能，以及实际实施的具体举措。

数据流量的激增和传统光电二极管的局限性

为了帮助您了解波导光电二极管的优异特性，我们首先解释一下传统表面型光电二极管面临的结构挑战。下图显示了称为 pn 型和 pin 型的传统表面型光电二极管的示意图。
在表面型光电二极管中，光从元件的顶部进入并被光吸收层吸收，将其转化为电流。为了提高光转换效率，在 p 层和 n 层之间的边界处加厚光吸收层是有效的。
然而，随着层的增厚，传输电力的载流子（电子和空穴）必须行进的距离会增加。因此，信号处理需要更长的时间，从而导致减少“带宽”的权衡。

带宽是指每秒可以处理的光信号数量。1GHz 的带宽意味着每秒能够处理 10 亿个信号，带宽越大，可以在更短的时间内处理的信息就越多。在不久的将来，由于数据中心需要更高的速度，预计客户端光收发器所需的通信速度将发展到 400G、800G，并进一步发展到 1.6T 和 3.2T。

然而，传统光电二极管面临着“提高灵敏度会降低速度”的困境，限制了性能的改进。在最近需要更小设备的高速通信中，这个问题变得更加严重。这就是需要新技术（波导光电二极管和 UTC-PD）的原因之一。

将波导光电二极管与 UTC-PD 相结合

波导光电二极管最显着的特点是“光吸收方向和电载流子行进的方向几乎相互垂直”。这种结构可以分别设计吸收多少光（灵敏度）和处理光的速度（带宽）。

通过将波导形式的光吸收层与“Uni-Traveling Carrier光电二极管（UTC-PD）”技术相结合，可以预期性能的进一步提高。波导光电二极管需要特殊的技术将光耦合到微小的波导面上，这成为开发过程中的一个重要技术点。

通过与UTC-PD组合挑战超高速化

另一种进一步增加波导光电二极管带宽的技术是“Uni-Traveling Carrier光电二极管（UTC-PD）”。当光照射到半导体上时，其能量会产生带负电荷和正电荷的粒子——电子和空穴。这两个粒子的运动会产生电流，将光信号转换为电信号，这就是光电二极管的工作原理。

在传统的针式光电二极管中，电子和空穴都以类似的方式移动以产生电流。但是，这种方法有一个明显的缺点。空穴的移动速度比电子慢得多;电子可以以每秒 100,000 米的速度移动，而空穴只能以不到该速度的一半移动。这种“慢孔”运动是实现高速光通信的主要制约因素。UTC-PD 是一项创新技术，旨在解决这个“慢孔”问题。

在 UTC-PD 中，吸光层由 P 型半导体制成。P 型半导体是通过有意将特殊原子（杂质）混合到半导体中，有意产生许多空穴而制成的。由于一种称为“介电弛豫”的物理现象，大多数载流子（空穴）可以作为一个“组”非常迅速地移动。这就像水滴不是单独移动的，而是聚集在一起形成波浪并同时流动。这消除了孔移动缓慢的问题。

此外，UTC-PD 在 p 型半导体吸光层旁边包括一个不吸收光的“载流子传输层”。由于只有电子起主要作用，因此也可以抑制空穴和电子共存时发生的“空电荷效应”（电场减弱并输出饱和的现象）。将传统的针式光电二极管想象成一条高速公路，快车（电子）和慢车（空穴）共享同一车道。这种设置可能会导致交通拥堵和效率低下。相比之下，UTC-PD 就像为慢速汽车创建一条单独的车道，让快车在自己的专用车道上平稳行驶。

凭借这些结构创新，UTC-PD 实现了超过 300GHz 的超高速运行，输出电流比传统引脚光电二极管大约 10 倍。通过将 UTC-PD 技术与波导结构相结合，相信将实现对下一代高速光通信至关重要的超高速和高容量信号转换。然而，要将这项技术商业化，仍需要解决一些挑战，例如将光有效地耦合到细波导中。特别是，如何有效地将光引导到极小的半导体波导中是一个关键的技术点，我们正在反复试验以解决这一挑战。

利用模拟的最优化和高度制造·评价设备的实证

为了实现波导光电二极管的实际应用，我们使用称为“TCAD（Technology Computer Aided Design） simulation”的计算机分析，通过改变器件结构和材料来探索以最高速度运行的设计。我们还进行了 “FDTD（Finite-Difference Time-Domain） simulation” 来探索波导耦合效率和吸收层吸收率，旨在优化结构。

在开发波导光电二极管时，除了基于仿真的优化外，对实际制造过程的精确控制也是必不可少的。在我们公司，我们正在使用最新的最先进设备推进开发和批量生产。

• SiO ₂-CVD装置
• 激光绘图仪
• SiN-CVD设备
• 金属EB蒸镀装置
• CCP-RIE设备
• 提升装置
• ICP-RIE设备

使用这些设备进行精确的制造过程控制，我们正在形成波导结构并控制层厚。

通过与UTC-PD组合挑战超高速化

目前，Dexcerials的合并子公司Dexcerials Photonics Solutions正在进行原型设计，以实现超过60GHz和超过100GHz的带宽特性。

我们的开发路线图旨在到 2026 年实现 200Gbps/通道波导光电二极管的商业化。展望 2030 年，我们还设想为 CPO（共封装光学器件）模块开发 400Gbps/通道光电二极管。
此外，为了实现更低的功耗，我们计划探索各种解决方案，例如使用不带 DSP 的光收发器（如 LPO/LRO），转向共封装 （CPO） 设计，以及开发下一代半导体激光管 （LD） 和调制器。

通过这些开发，迪睿合将继续研究实现从400Gbps到1.6T和3.2T的超高速光通信的波导光电二极管。