光譜儀成為下一個混合訊號趨勢

2023-06-02
作者 Bill Schweber,Planet Analog資深技術編輯

「混合訊號」(mixed signal)一詞傳統上指的是類比與數位電路或功能的結合或混合。如今這個詞有了一個吸引人的新定義:即先進光學元件或功能與類比/數位電路或功能的整合…

「混合訊號」(mixed signal)一詞傳統上指的是類比與數位電路或功能的結合或混合。如今這個詞有了一個吸引人的新定義:即先進光學元件或功能與類比/數位電路或功能的整合。 首先,看看光學建構模組與電子建構模組整合方面的進展,目前是透過共用封裝光學元件(CPO)來實現,其中光學元件和電子元件被封裝在很小的同一個封裝中,或者板載光學元件(OBO)中,其光波導和其他結構使用PCB內層來製造,圖1所示為瑞士Vario optics AG開發的OBO產品。  

圖1:透過將電路板的特殊內層用作光波導和其他功能模組,業者正在開發一種稱為板載光學元件的整合式光電元件。

(來源:Vario Optics AG)

  當然,業界的目標是最終形成一種單片元件,它能發揮光子積體電路(PIC)的作用,並具有支援數Gbps資料速率的光源和接收器。這就是Ayar Labs等公司現在正在做的事情,這些公司也在使用CMOS製程開發高速、高密度、低功耗的光學互連「小晶片」(chiplet)和雷射器,用於取代傳統的電氣I/O CMOS製程(圖2)。  

圖2:在使用同一基板製造電子與光學元件方面已取得重大進展,產品主要用於單片高速互連。

(來源:Ayar Labs)

  然而,除了光源、光學鏈路、波導和光接收器之外,整合式電子與光學元件還有更多可整合:主要是光譜分析。這方面主要是光譜儀(spectrometer),透過評估光譜成份,系統可以提供分析資料並執行其他功能。 基於這些原因,可以看到研發人員正在努力製造很大程度上是單片的、或者至少高度整合的微型光譜儀,以下是兩個具體實例: 1.紅外線光譜儀 由著名的瑞士聯邦材料科技實驗室(EMPA)研究人員領導的一個研究團隊,設計了一種基於量子點光電探測器的紅外線光譜儀微型化製程,採用該製程的紅外線光譜儀可以被整合在單顆晶片上。潛在應用包括使用智慧型手機評估食品品質、檢測危險化學品、空氣污染監測和穿戴式電子裝置,以及檢測仿冒醫療藥品,以及甲烷和二氧化碳等溫室氣體。 這種概念驗證式微型傅立葉轉換波導光譜儀,採用亞波長光電探測器作為光感測器,並包含膠體碲化汞量子點(HgTe),且與標準CMOS技術相容(圖3)。  

圖3:EMPA光譜儀設計在一個公共基板上使用了多個光層和結構,並整合了嵌入式可控固態反射鏡。

(來源:EMPA)

  在該設計中,光電探測器被安裝在LiNbO3基板的頂部,用以產生光波導。整個設計包括底部用作散射中心的一個金電極;由膠體HgTe量子點組成並作為反射鏡的光敏層,以及頂部金電極。透過移動反射鏡,測量得到的光電流可以反應紅外線光的駐波光強度,透過對被測訊號進行傅立葉轉換可以得出光譜。 整個主動光譜儀的體積不到100 × 100 × 100μm。這種超小型光譜儀設計支援在消費電子產品和太空設備中整合光學/分析測量儀器,EMPA發表於《Nature Photonics》的論文「Integrated photodetectors for compact Fourier-transform waveguide spectrometers」中,敘述了完整的細節。 2.運算型光譜儀 奧勒岡州立大學(Oregon State University)的研究人員與芬蘭阿爾托大學(Aalto University)和其他大學合作設計了另一種基於高效能運算型光譜儀的方法。他們使用了具有電可調諧光譜回應的單van der Waals (vdW)結,並將尺寸小至22 × 8μm的可調諧結與運算型重建演算法結合在一起(圖4)。  

圖4:這種與眾不同的超微型光譜儀概念使用了閘極可調諧的vdW結來區分單色光的峰值波長,並使用計算型處理方法分析圖像的光譜資訊。

(來源:Aalto University)

  實現上述光譜儀概念需要三個步驟: .學習過程:利用多個已知入射光譜測量閘極可調諧光譜響應; .測試過程:測量待分析的未知入射光的閘極可調諧光電流; .重建過程:在學習和測試過程獲得的結果基礎上,利用重建演算法計算未知入射光的光譜資訊。 如果這一切聽起來很複雜,很難解釋的話……好吧,確實如此。上述內容的全文「Miniaturized spectrometers with a tunable van der Waals junction」已發表在《科學》(Science)雜誌上,不過需要付費才能看到。幸運的是,Aalto University已在官網上發佈了預印本(Preprint,亦稱未定稿)。 使光譜儀切實可行 這兩種非常不同的微型光譜儀的有趣之處在於,它們都依賴大量的運算工作來提取有用資料,因為它們不僅僅是針對頻譜的濾波器。對於如何使這些高度整合的電子-光學混合訊號元件變得切實可行來說,也許這些都是所需的額外工作,至少目前是如此。如果的確是這樣的話,這對於其收益來說也是一個值得付出的代價。 你是否看到此類PIC和儀器的作用越來越大,超越了點對點資料連結?這是未來十年或二十年內可能成為重大變革性技術的領先優勢嗎? (參考原文:Spectrometers point to the next mixed-signal trend,by Bill Schweber) 本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年5月號        
活動簡介

目前寬能隙(WBG)半導體的發展仍相當火熱,是由於經過近幾年市場證明,寬能隙半導體能確實提升各應用系統的能源轉換效率,尤其是應用系統走向高壓此一趨勢,更是需要寬能隙元件才能進一步提升能效,對實現節能環保,有相當大的助益。因此,各家業者也紛紛精進自身技術,並加大投資力道,提升寬能隙元件的產能,以因應市場所需。

本研討會將邀請寬能隙半導體元件關鍵供應商與供應鏈上下游廠商,一同探討寬能隙半導體最新技術與應用市場進展,以及業者佈局市場的策略。

贊助廠商

發表評論

訂閱EETT電子報