Cuando elige una tecnología de circuito integrado de fotónica para la detección, se enfrenta a problemas especiales. La mejor opción depende de qué tan bien la plataforma se adapte a sus necesidades. Debe pensar en la longitud de onda, la sensibilidad y cómo encajan las cosas. Es importante igualar las características de la fotónicaCircuitos integradosA tu trabajo de detección. Muchos ingenieros se enfrentan a problemas como difícilesFabricación, límites materiales y problemas para armar las cosas. También es posible que deba pensar en los cambios de temperatura, el uso de energía y la pérdida de señal. Esto es muy cierto cuando se usan plataformas de silicio. Hacer el diseño y no tener muchas partes puede hacer las cosas más difíciles. Cada vez, debe ver qué tan bien funciona la tecnología y qué tan fácil es hacerla. Necesita equilibrar estas cosas para hacerlo bien, especialmente con los circuitos integrados fotónicos basados en silicio.

Puntos clave

• Asegúrese de que la longitud de onda y la sensibilidad de la tecnología PIC se ajusten a suSensorLas necesidades de los mejores resultados.

• Piense en cosas como la pérdida de señal, el ancho de banda y qué tan bien funciona con la temperatura cuando elige una plataforma.

• Elija plataformas que sean fáciles de conectar y que puedan crecer, para que pueda construir sistemas de sensores más grandes y mejores.

• Trate de mantener los costos y lo difícil que es hacer en equilibrio, para que encuentre una tecnología que coincida con su presupuesto y la cantidad que desea hacer.

• Mire las plataformas fotónicas de silicio, fosfuro de indio y nitruro de silicio para ver cuál funciona mejor para su aplicación de detección.

Factores de selección

Necesidades de la aplicación

En primer lugar, debes saber cuál es tuSensoresDebe hacer. Cada sistema de detección es diferente y tiene sus propias necesidades. Algunos sensores funcionan mejor con ciertas longitudes de onda. Otros necesitan ser muy sensibles o trabajar en lugares difíciles. Debe comprobar la ventana de transparencia del material. Esta ventana muestra qué longitudes de onda ópticas pueden pasar con poca pérdida. Por ejemplo, el silicio es bueno para el procesamiento óptico en el rango infrarrojo cercano. Pero si sus sensores necesitan ver señales en el rango visible, es posible que el silicio no funcione para usted.

También debe pensar en cuán pequeña es la señal que su sistema puede detectar. Algunos sistemas necesitan muy poco ruido y señales fuertes. Si debe encontrar pequeños cambios, necesita una plataforma con bajas pérdidas de propagación. La tecnología de circuitos integrados de fotónica adecuada le ayuda a adaptar las propiedades ópticas a sus objetivos. Siempre verifique si la tecnología le da a sus sensores el ancho de banda que necesitan. El ancho de banda alto permite que su sistema procese señales rápidamente y bien.

Punta:Siempre asegúrese de que la ventana de transparencia y el ancho de banda de su circuito integrado de fotónica se ajusten a las necesidades de sus sensores.

Métricas de rendimiento

Las métricas de rendimiento le ayudan a comparar diferentes tecnologías. Debe observar las pérdidas de propagación, el ancho de banda y la sensibilidad. Las bajas pérdidas de propagación significan que se pierde menos señal a medida que la luz se mueve a través del sistema. Esto es importante para sensores que necesitan ser muy precisos. Las plataformas de silicio a menudo tienen bajas pérdidas en el infrarrojo cercano, por lo que muchas personas las usan para detectar.

El ancho de banda también es importante. Es posible que su sistema necesite manejar muchos datos o señales rápidas. El alto ancho de banda permite que sus sensores funcionen rápidamente. Algunas plataformas de circuitos integrados fotónicos dan tanto un alto ancho de banda como un bajo nivel de ruido. Esto es ideal para soluciones de alto rendimiento.

También debe pensar en cómo el sistema maneja los cambios de temperatura. Algunos materiales, como el silicio, pueden cambiar sus propiedades ópticas cuando se calienta o se enfría. Esto puede cambiar lo bien que funcionan sus sensores. Compruebe siempre si la tecnología se mantiene estable en condiciones reales.

Integración y escalabilidad

La integración y escalabilidad muestran qué tan bien puede crecer su sistema. Desea una plataforma que le permita agregar partes fotónicas, componentes electrónicos y otras piezas fácilmente. Los circuitos integrados fotónicos basados en silicio son buenos en esto. Usan los mismos métodos que la electrónica normal, por lo que es más fácil colocar partes ópticas y electrónicas en un chip.

• Uso de circuitos integrados de fotónicaFabricación del semiconductor, Por lo que los dispositivos pueden ser pequeños y fáciles de hacer en grandes cantidades.

• Los nuevos diseños, como el aprendizaje automático y las ideas inspiradas en el quantum, ayudan a que los sistemas sean más grandes y mejores.

• La alta velocidad, el ancho de banda, la eficiencia energética y la resistencia hacen que estos sistemas sean buenos para trabajos de detección difíciles.

• Las plataformas escalables ayudan a hacer dispositivos pequeños, ahorradores de energía y fuertes para muchos usos de detección.

También debería ver lo fácil que es agregar más sensores o hacer que su sistema sea más complejo. Una buena integración significa que puede hacer crecer su sistema sin comenzar de nuevo. Esto es importante si necesita hacer que su sistema sea más grande rápidamente.

Costo & Fabricación

Costo y hacer el sistema puede limitar sus opciones. Debe pensar en el precio de los materiales, lo difícil que es hacer y si necesita herramientas especiales. El silicio y el fosfuro de indio se usan mucho, pero pueden costar mucho. Poner muchas partes fotónicas, como láseres y detectores, en un chip necesita tecnología avanzada y una alineación cuidadosa.

• Altos costos inicialesY duros pasos de fabricación

• Uso de materiales costosos como fosfuro de indio y silicio

• Poner muchas piezas ópticas en un chip

• Necesidad de herramientas de diseño avanzadas y alineación cuidadosa

• Problemas con el calor que deben ser manejados

• No hay suficientes reglas estándar para el diseño y la fabricación

• Competencia de los circuitos integrados electrónicos regulares

Lo fácil que es hacer que el sistema importe mucho. La siguiente tabla muestra cómo diferentes cosas afectan el uso de la tecnología de circuitos integrados de fotónica en la detección:

Siempre debe pensar si los beneficios de la integración avanzada valen los costos más altos y el trabajo más duro. Si necesita hacer muchos sistemas, elija una plataforma que pueda crecer y sea fácil de hacer.

Plataformas de circuitos integrados de fotónica

Fotónica de silicio

La fotónica de silicio es una opción superior para muchos trabajos de detección. Funciona bien con la electrónica y tiene características especiales de material. El alto índice de refracción le permite hacer pequeñas partes fotónicas. Esto ayuda a atrapar la luz firmemente, por lo que los sensores notan pequeños cambios. Esto es importante para obtener resultados precisos.

Puedes ver elPrincipales características de la fotónica de silicioEn esta tabla:

Puede utilizar la fotónica de silicio para la detección sin etiquetas y sensores pequeños. Es fácil de conectar con la electrónica. Esto lo hace ideal para biosensores, detección de gases y detección química. La plataforma también admite un gran ancho de banda, por lo que su sistema puede manejar señales rápido y bien.

PeroLa fotónica de silicio tiene algunos problemas:

• Conseguir que la luz entre y salga del chip es difícil. Necesitas alinear las cosas a la derecha, o podrías perder la señal.

• Las formas de acoplar la luz, como las guías de onda y los acopladores de rejilla, no siempre funcionan para todas las señales y pueden ser difíciles de hacer.

• Si agrega fosfuro de indio para ayudar, se vuelve más caro y más difícil de construir.

• El funcionamiento de su circuito depende de lo que el silicio puede hacer y de las herramientas que utilice para diseñarlo.

• Estas cosas pueden hacer que la fotónica de silicio sea menos asequible o más difícil de hacer más grande para algunos usos.

Nota:Si desea una alta sensibilidad, una conexión fácil a la electrónica y un procesamiento rápido de la señal, la fotónica de silicio es una buena opción. Pero usted debe pensar en las partes difíciles de conseguir la luz dentro y fuera y cómo va a hacer su sistema.

Fosfuro de indio

El fosfuro de indio es una plataforma fuerte y probadaPara circuitos integrados de fotónica. Puedes poner todas las partes fotónicas que necesites, como láseres, moduladores,AmplificadoresGuías de onda y filtros-en un chip. Esto le permite construir transmisores y receptores avanzados para trabajos de detección difíciles.

El fosfuro de indio le brinda estos beneficios:

• Puede hacer partes fotónicas activas y pasivas en un chip.

• Funciona bien en la banda C de telecomunicaciones, que se utiliza para muchos trabajos de detección y ópticos.

• Usted obtiene una salida de luz fuerte y ahorra energía, lo que ayuda a que su sistema use menos energía.

• El fosfuro de indio es resistente y se puede usar en lugares duros, como el espacio.

A menudo se utiliza fosfuro de indio para:

• Encontrar gases como CO, CO2 y NOX en tiempo real para ayudar a controlar la contaminación del aire.

• Encontrar rápidamente cosas peligrosas en el agua o en las superficies.

• Comprobación de la calidad de los alimentos, plásticos y otras cosas con espectroscopia.

• Medición de capas muy finasY haciendo controles cuidadosos en las fábricas de automóviles.

El bandgap directo del fosfuro de indio le permite hacer y sentir bien la luz. Usted obtiene una respuesta rápida y puede juntar todas las partes necesarias para hacer, aumentar y detectar la luz láser. Esto hace que el fosfuro de indio sea una buena elección para los sistemas que necesitan una detección óptica cuidadosa y sensible.

Pero el fosfuro de indio puede costar más y es más difícil de fabricar que la fotónica de silicio. También puede ser menos flexible si desea diseños láser especiales.

Nitruro de silicio

El nitruro de silicio es una plataforma flexible para circuitos integrados de fotónica. Puede usarlo cuando necesite bajas pérdidas ópticas y una amplia gama de longitudes de onda de luz. El nitruro de silicio funciona con luz visible e infrarroja cercana, por lo que puede usarlo para muchos trabajos de detección.

Tienes estos buenos puntos:

• Las bajas pérdidas significan que su señal se mantiene fuerte en largas distancias.

• Permite el acceso a muchos tipos de luz, desde el visible hasta el infrarrojo medio.

• Funciona con métodos de construcción basados en silicio, por lo que es más fácil conectarse a la electrónica.

• El alto ancho de banda significa que su sistema puede procesar señales rápidamente y bien.

Las personas a menudo eligen nitruro de silicio para biosensores, verificando el medio ambiente y dispositivos médicos. Es bueno para diseños de circuitos planos donde necesita un trabajo constante y confiable.

Pero el nitruro de silicio puede ser más difícil de hacer que el silicio regular. También es posible que deba tener cuidado con el estrés en el material, para que no se agriete ni se rompa.

Punta:Si desea bajas pérdidas, ancho de banda amplio y fácil conexión a la electrónica de silicio, el nitruro de silicio es una opción buena y flexible.

Otras plataformas

Puedes mirar enNuevas plataformas para la detección avanzada. Estos nuevos materiales y diseños tienen beneficios especiales para ciertas necesidades.

También puede ver personas mezclando diferentes materiales juntos. Esto se llama integración heterogénea. Combina cosas como TFLN con SiN o SOI para obtener lo mejor de cada uno. Puede usar estas nuevas plataformas para sensores especiales, trabajos cuánticos y sistemas que necesitan un manejo especial de la luz o ancho de banda.

Llamada:Si su trabajo de detección necesita pérdidas muy bajas, ancho de banda amplio o características cuánticas especiales, debe considerar estas nuevas plataformas. Pueden ser más difíciles de hacer, pero pueden hacer cosas que el silicio o el fosfuro de indio no pueden.

Aplicaciones de detección

Biosening

Puede utilizar plataformas de circuitos integrados fotónicos para hacer biosensores avanzados. Estos sensores ayudan a encontrar marcadores biológicos, virus o proteínas muy bien. Las plataformas más comunes son:

• El fosfuro de indio le da láseres y detectoresPara pruebas sensibles.

• La fotónica de silicio le permite construir dispositivos pequeños y de baja pérdida con electrónica CMOS. Esto le ayuda a hacer biosensores de laboratorio en un chip para pruebas rápidas y baratas.

• El nitruro de silicio tiene guías de onda de pérdida ultra baja y funciona con muchas longitudes de onda de luz. Esto lo hace ideal para biosensores y espectrómetros.

• Otros materiales, como el niobato de litio, la sílice y el arseniuro de galio, tienen características especiales para las necesidades únicas de biosensores.

También puede mezclar estos materiales utilizando la integración híbrida o heterogénea. De esta manera, obtienes las mejores partes de cada plataforma en un sensor.

Punta:La integración híbrida ayuda a que sus biosensores sean más sensibles y funcionen mejor.

Wearables & Portátil

Cuando diseñe dispositivos portátiles o portátiles, debe pensar en la comodidad, la seguridad y lo bien que funcionan. Los circuitos integrados fotónicos deben ser pequeños, bendosos y seguros para la piel. El siguiente cuadro muestra las principales necesidades:

También debe verificar la seguridad de estos dispositivos y si funcionan bien. Elegir los materiales y el diseño adecuados le ayuda a crear sensores que funcionen y se sientan bien.

Telecomunicaciones y Quantum

Usted ayuda a mejorar las comunicaciones ópticas y las tecnologías cuánticas. Los circuitos integrados fotónicos apoyan la transferencia de datos rápida y las medidas cuidadosas. La siguiente tabla muestra las mejores plataformas para estos usos:

Debe elegir plataformas con alta velocidad, baja pérdida y una fuerte integración electrónica. Estas características le ayudan a satisfacer las necesidades de los sistemas de detección y comunicaciones ópticas.

Ambiental & Industrial

Puede usar circuitos integrados fotónicos para observar el entorno y controlar las fábricas. Estos sensores le ayudan a rastrearGases de efecto invernaderoRevise el agua e inspeccione los alimentos. También los utiliza en la agricultura inteligente y el monitoreo del transporte.

• Los PIC permiten la espectroscopia de banda ancha y Raman, peines de frecuencia y biofotónica del infrarrojo medio.

• Usted consigueSensibilidad tamaño pequeño, altaY puede medir muchas cosas a la vez.

• Estos sensores funcionan bien en lugares difíciles porque bloquean la interferencia electromagnética y usan poca energía.

• La conexión con IoT y edge computing le permite ver datos desde lejos y actuar con rapidez.

Nota:Los circuitos integrados fotónicos lo ayudan a hacerlo mejor que los sensores antiguos, lo que hace que sus mediciones sean más rápidas, más confiables y buenas para entornos difíciles.

Comparación de circuitos integrados fotónicos

Transparencia y longitud de onda

Debe asegurarse de que la ventana de transparencia se ajuste a su trabajo de detección. Cada plataforma de circuito integrado fotónico funciona con diferentes longitudes de onda de luz. ElLa siguiente tabla muestra cómo las principales plataformas son diferentes:

Elija una plataforma que cubra el rango de luz que su sistema necesita. Si trabaja con biosensores o sensores cuánticos, necesita un ancho de banda amplio y soporte para la luz visible.

Pérdidas e integridad de la señal

Las pérdidas de propagación muestran cuánta señal se debilita a medida que se mueve. El nitruro de silicio tiene las pérdidas más bajas, por lo que las señales se mantienen fuertes a largas distancias. El fosfuro de indio y la fotónica de silicio pierden más señal, pero aún puede usarlos para muchos trabajos de detección.

Si necesita señales fuertes y bajo ruido, el nitruro de silicio es una buena elección. Para láseres y detectores incorporados, el fosfuro de indio o la fotónica de silicio podrían ser mejores.

Integración & Packaging

La integración y el empaquetado muestran lo fácil que es construir y hacer crecer su sistema. La fotónica de silicio es la mejor para unirse con la electrónica, utilizando métodos CMOS para un procesamiento óptico pequeño y rápido. La integración híbrida le permite mezclar materiales, pero dificulta las cosas.

• La integración monolítica pone todas las partes ópticas en un chip de silicio, haciéndolo más pequeño y usando menos energía.

• La integración híbrida mezcla diferentes materiales para obtener mejores resultados, pero cuesta más y necesita pasos de empaquetado adicionales.

Elija una plataforma que se adapte a las necesidades de integración y empaquetado de su sistema.

Escalabilidad y costo

El costo y la escalabilidad deciden cómo puede crecer su proyecto. La fotónica de silicio es más barata de escalar debido a los métodos maduros de fabricación de silicio. Pero todos los circuitos integrados fotónicos cuestan mucho para desarrollar y son difíciles de hacer. La integración monolítica ayuda a crear muchos dispositivos, pero al principio debe gastar mucho. La integración híbrida ofrece un mejor rendimiento, pero cuesta más y es más compleja.

• La nueva fotónica de silicio y los métodos de fabricación ayudarán a reducir los costos y facilitar el escalado.

• El apoyo del gobierno y la industria ayuda con los altos costos.

• Para el procesamiento óptico cuántico o avanzado, prepárese para costos más altos y más trabajo.

Punta:Elija la fotónica de silicio si desea un sistema que sea fácil de cultivar y no demasiado costoso. Utilice la integración híbrida o monolítica para el procesamiento óptico especial o de alto rendimiento.

Elegir la tecnología de circuitos integrados fotónicos correcta comienza con sus objetivos de detección. Debe asegurarse de que la longitud de onda de la plataforma, la sensibilidad y la forma en que las piezas encajan encajen con su trabajo.

• Mire lo que su sistema necesita y vea qué plataforma es la mejor.

• Hable con las fundiciones PIC para obtener ayuda de expertos.

• Echa un vistazo a nuevas investigaciones y noticias en la industria.

Punta:Sigue aprendiendo sobre las nuevas plataformas PIC. Los nuevos materiales y diseños pueden ayudarlo a mejorar en futuros proyectos de detección.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es el factor más importante a la hora de elegir una plataforma PIC para la detección?

Debe asegurarse de que la ventana de transparencia y la sensibilidad de la plataforma coincidan con las necesidades de su sensor. Esto ayuda a que su sensor funcione en la longitud de onda correcta y encuentre señales pequeñas.

¿Se pueden combinar diferentes materiales PIC en un sensor?

Sí, puede utilizar la integración híbrida o heterogénea. Esto le permite mezclar diferentes materiales. Por ejemplo, se obtiene baja pérdida de nitruro de silicio y partes activas de fosfuro de indio.

¿Cómo se reducen los costos al ampliar los sensores basados en PIC?

Puede elegir la fotónica de silicio para hacer muchos sensores. Esta plataforma utiliza procesos CMOS estándar. Te ayuda a ahorrar dinero y hacer que muchos dispositivos sean rápidos.

¿Qué plataforma PIC funciona mejor para los biosensores?

• La fotónica de silicio le ofrece sensores pequeños y sensibles.

• El nitruro de silicio tiene baja pérdida y funciona con muchas longitudes de onda.

• El fosfuro de indio tiene láseres y detectores incorporados.

Elija el que coincida con sus necesidades de biosensores.