波導光電二極體：支持數據中心速度的新技術

資料中心和光收發器的演變

全球數據中心流量正在迅速增加。這種增長是由 AI/ML 開發和實施、雲服務的傳播以及視頻流和 AR/VR 內容不斷增長的使用者群推動的。顯然，這些趨勢將持續下去。為了解決這一問題，骨幹光通信網路需要進一步提高容量和傳送速率。

為了向使用者提供穩定的光通訊服務，基礎設施網路和數據中心需要以更高的速度和最小的延遲運行的網路。光收發器是這一過程中的關鍵元件。傳統上，光收發器以 100Gbps 為標準運行，但為了響應網路加速要求，400G 和 800G 的高速產品在 2014 年左右開始進入市場。展望未來，光模組所需的速度預計將達到 1.6T 和 3.2Tbps。

光電二極體基本結構與挑戰

光收發器是在電信號和光信號之間相互轉換的設備。在發射器部分，半導體半導體鐳射管將電轉換為光。在接收器部分，光電二極體 （PD） 將光信號轉換為電信號。
雖然我們在上一篇文章中詳細解釋了光電二極管的基本結構和工作原理，但本文專門討論了與高速運行相關的技術挑戰。

波導光電二極體也是將通過光纖傳輸的光信號轉換為電信號的器件。顧名思義，它們是將引導光的“波導”路徑與將光轉換為電的“光電二極管”相結合的元件。而光電二極體的基本結構和工作原理在我們之前的文章中詳細解釋了。本文特別關注與高速運行相關的挑戰。傳統光電二極體和波導光電二極體之間的主要區別在於它們的物理結構。

下圖顯示典型光二極體 (pn 型) 的結構。

傳統的 pn 型光電二極體的結構是 p 型半導體層的頂部包含許多空穴（帶正電荷的粒子），底部是包含許多帶負電荷的電子的 n 型半導體層。在它們的交界處形成一個稱為「耗盡層」的層，光主要在該區域附近被吸收。

Pn 型光電二極體的結構相對簡單，製造相對容易。然而，這種簡單的結構對實現高速性能提出了挑戰。

光電二極管高速運行的關鍵因素是「帶寬」。。帶寬表示每秒可以處理的信號數，帶寬越大，可以在更短的時間內處理更多資訊。例如，在 1GHz 的頻寬下，每秒可以進行 10 億次信號作。

在 pn 型光電二極體中，光吸收區（耗盡層）需要很厚才能有效吸收光。這是因為光穿過半導體的距離越長，可以吸收的光就越多。然而，當耗盡層增厚時，光產生的電子和空穴的傳播距離會增加，從而導致器件回應時間變慢。

波導光電二極體的創新結構

為了解決這個問題，人們構思了具有新穎結構的波導光電二極管。波導光電二極體的設計可實現高效的光吸收和載流子移動，可以同時實現高速運行和高靈敏度。

在傳統的光電二極體中，光從元件的頂部進入，吸收光的半導體層（例如耗盡層）將光轉化為電能。相比之下，波導光電二極體的光從側面進入，在通過由化合物半導體製成的稱為「波導」的水準拉長層時逐漸被吸收，轉化為電能。
這個概念可以比作從上方直接落在地面上的雨水（傳統光電二極管）與流經長水準管道（波導型）的水（或實際上是光）。這種水平光傳播特性允許光在吸收層內傳播數十到數百微米的距離，顯著提高了光吸收效率。創建薄波導層的能力也是一個關鍵優勢。使用更薄的波導層，光產生的電子和空穴到達電極的傳播時間減少，從而實現更快的回應。此外，製造更薄器件的能力有助於與同一基板上的其他光學元件集成，從而有助於元件的小型化。

因此，波導光電二極體是一種可以同時實現高光吸收效率和快速回應速度的技術。然而，實際實施仍然存在一些挑戰，例如將光有效地耦合到細波導中。後續文章介紹了我們為應對這些挑戰而採取的舉措，並提供了更詳細的應用範例。

迪睿合致力於通過開發波導光電二極體來實現下一代高速光通信。