Silicijski fotonički aktivni element

Silicijski fotonički aktivni element

Aktivne komponente fotonike odnose se posebno na namjerno dizajnirane dinamičke interakcije između svjetlosti i materije. Tipična aktivna komponenta fotonike je optički modulator. Svi aktualni na bazi silicijaoptički modulatoritemelje se na učinku nosača bez plazme. Promjena broja slobodnih elektrona i rupa u silicijskom materijalu dopiranjem, električnim ili optičkim metodama može promijeniti njegov složeni indeks loma, proces prikazan u jednadžbama (1,2) dobivenim prilagođavanjem podataka Sorefa i Bennetta na valnoj duljini od 1550 nanometara . U usporedbi s elektronima, rupe uzrokuju veći udio stvarnih i imaginarnih promjena indeksa loma, to jest, mogu proizvesti veću faznu promjenu za danu promjenu gubitka, tako da uMach-Zehnder modulatorii prstenastih modulatora, obično se preferira koristiti rupe za izradufazni modulatori.

Raznisilicijski (Si) modulatortipovi su prikazani na slici 10A. U modulatoru s ubrizgavanjem nosača, svjetlost se nalazi u intrinzičnom siliciju unutar vrlo širokog pin spoja, a elektroni i rupe se ubrizgavaju. Međutim, takvi modulatori su sporiji, obično s propusnošću od 500 MHz, jer slobodnim elektronima i šupljinama treba više vremena da se rekombiniraju nakon ubrizgavanja. Stoga se ova struktura često koristi kao varijabilni optički prigušivač (VOA), a ne kao modulator. U modulatoru s osiromašenjem nositelja, svjetlosni dio nalazi se u uskom pn spoju, a širina osiromašenja pn spoja mijenja se primijenjenim električnim poljem. Ovaj modulator može raditi pri brzinama većim od 50 Gb/s, ali ima veliki pozadinski uneseni gubitak. Tipični vpil je 2 V-cm. Metalni oksidni poluvodič (MOS) (zapravo poluvodič-oksid-poluvodič) modulator sadrži tanki oksidni sloj u pn spoju. Omogućuje određeno nakupljanje nositelja kao i smanjenje nositelja, dopuštajući manji VπL od oko 0,2 V-cm, ali ima nedostatak većih optičkih gubitaka i većeg kapaciteta po jedinici duljine. Osim toga, postoje SiGe modulatori električne apsorpcije koji se temelje na pomicanju ruba trake SiGe (silicij-germanijeva legura). Osim toga, postoje grafenski modulatori koji se oslanjaju na grafen za prebacivanje između apsorbirajućih metala i prozirnih izolatora. Oni pokazuju raznolikost primjena različitih mehanizama za postizanje modulacije optičkog signala velike brzine s malim gubicima.

Slika 10: (A) Dijagram poprečnog presjeka različitih dizajna optičkog modulatora na bazi silicija i (B) dijagram poprečnog presjeka dizajna optičkog detektora.

Nekoliko detektora svjetlosti na bazi silicija prikazano je na slici 10B. Apsorbirajući materijal je germanij (Ge). Ge može apsorbirati svjetlost na valnim duljinama do oko 1,6 mikrona. Lijevo je prikazana komercijalno najuspješnija struktura igle danas. Sastoji se od P-tipa dopiranog silicija na kojem raste Ge. Ge i Si imaju 4% neusklađenosti rešetke, a kako bi se dislokacija svela na najmanju moguću mjeru, prvo se uzgaja tanki sloj SiGe kao međusloj. Dopiranje N-tipa izvodi se na vrhu Ge sloja. U sredini je prikazana fotodioda metal-poluvodič-metal (MSM), a APD (lavinski fotodetektor) prikazan je s desne strane. Lavinsko područje u APD nalazi se u Si, koji ima niže karakteristike buke u usporedbi s lavinskim područjem u elementarnim materijalima grupe III-V.

Trenutačno ne postoje rješenja s očiglednim prednostima u integraciji optičkog pojačanja sa silicijskom fotonikom. Slika 11 prikazuje nekoliko mogućih opcija organiziranih prema razini sklopa. Sasvim lijevo su monolitne integracije koje uključuju upotrebu epitaksijalno uzgojenog germanija (Ge) kao materijala za optičko pojačanje, staklene valovode dopirane erbijem (Er) (kao što je Al2O3, koji zahtijeva optičko pumpanje) i epitaksijalno uzgojenog galijevog arsenida (GaAs ) kvantne točke. Sljedeći stupac je sklop od pločice do pločice, koji uključuje oksidno i organsko vezivanje u području pojačanja grupe III-V. Sljedeći stupac je sklapanje čipa na pločicu, što uključuje ugradnju čipa grupe III-V u šupljinu silicijske pločice i zatim strojnu obradu strukture valovoda. Prednost ovog pristupa s prva tri stupca je da se uređaj može u potpunosti testirati unutar pločice prije rezanja. Krajnji desni stupac je montaža čip-na-čip, uključujući izravno spajanje silicijskih čipova na čipove grupe III-V, kao i spajanje preko leća i rešetkastih spojnica. Trend prema komercijalnim aplikacijama kreće se s desne na lijevu stranu grafikona prema integriranijim i integriranijim rješenjima.

Slika 11: Kako je optičko pojačanje integrirano u fotoniku temeljenu na siliciju. Kako se pomičete slijeva nadesno, proizvodna točka umetanja postupno se pomiče natrag u procesu.