Silikonska fotonika aktivni element

Silikonska fotonika aktivni element

Aktivne komponente fotonike posebno se odnose na namjerno dizajnirane dinamičke interakcije između svjetla i materije. Tipična aktivna komponenta fotonike je optički modulator. Sve trenutne silicijumoptički modulatoritemelje se na učinku nosača bez plazme. Promjena broja slobodnih elektrona i rupa u silikonskom materijalu doping, električnim ili optičkim metodama može promijeniti svoj složeni indeks loma, proces prikazan u jednadžbama (1,2) dobiven ugradnjom podataka iz Soref -a i Bennetta na valnoj duljini od 1550 nanometra. U usporedbi s elektronima, rupe uzrokuju veći udio realijskih i zamišljenih promjena indeksa loma, odnosno mogu proizvesti veću promjenu faze za određenu promjenu gubitka, pa uMach-Zehnder modulatorii modulatori prstena, obično je preferirano koristiti rupe za izradufazni modulatori.

Raznisilikonski (si) modulatorVrste su prikazane na slici 10a. U modulatoru za ubrizgavanje nosača svjetlost se nalazi u svojstvenom silicijumu unutar vrlo širokog spoja i ubrizgavaju se elektroni i rupe. Međutim, takvi su modulatori sporiji, obično s širinom pojasa od 500 MHz, jer slobodni elektroni i rupe trebaju duže da rekombiniraju nakon ubrizgavanja. Stoga se ova struktura često koristi kao varijabilni optički prigušivač (VOA), a ne kao modulator. U modulatoru iscrpljivanja nosača, svjetlosni dio se nalazi u uskom PN spoju, a širina iscrpljivanja PN spoja mijenja se primijenjenim električnim poljem. Ovaj modulator može raditi brzinom od 50 GB/s, ali ima visoki gubitak umetanja u pozadini. Tipični VPIL je 2 V-CM. Metalni oksid poluvodič (MOS) (zapravo poluvodički-oksid-semiconduktor) modulator sadrži tanki oksidni sloj u PN spoju. Omogućuje akumulaciju nosača kao i iscrpljivanje nosača, omogućavajući manji Vπl od oko 0,2 V-CM, ali ima nedostatak većih optičkih gubitaka i većeg kapaciteta po jedinici duljine. Pored toga, postoje sige modulatori za apsorpciju električne energije temeljene na rubu pojasa SIGE (silicijska germanij legura). Osim toga, postoje modulatori grafena koji se oslanjaju na grafen kako bi se prebacili između apsorbirajućih metala i prozirnih izolatora. Oni pokazuju raznolikost primjene različitih mehanizama za postizanje modulacije optičkih signala s malim gubitkom.

Slika 10: (a) Dijagram poprečnog presjeka različitih dizajna optičkog modulatora na bazi silicija i (b) dijagram poprečnog presjeka optičkih 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. Prikazana s lijeve strane danas je komercijalno uspješnija struktura PIN -a. Sastoji se od p-tipa dopiranog silicija na kojem GE raste. GE i SI imaju 4% neusklađenost rešetke, a kako bi se smanjila dislokacija, tanki sloj sigea prvi se uzgaja kao sloj međuspremnika. N-tipa doping izvodi se na vrhu GE sloja. U sredini je prikazan metal-semiconduktor-metal (MSM) fotodioda (APD (lavinski fotodetektor) je prikazan s desne strane. Regija lavina u APD-u nalazi se u SI, koja ima niže karakteristike buke u usporedbi s regijama lavina u elementarnim materijalima skupine III-V.

Trenutno ne postoje rješenja s očitim prednostima u integriranju optičkog pojačanja sa silicijskom fotonikom. Slika 11 prikazuje nekoliko mogućih opcija organiziranih po razini montaže. S lijeve strane su monolitne integracije koje uključuju uporabu epitaksivno uzgojenog germanijeva (GE) kao materijala optičkog pojačanja, staklenih valovoda dopiranih erbiumu (poput AL2O3, za koje je potrebno optičko pumpanje) i epitaksijalno uzgojenih galija arsenida (GAAS) kvantnih točaka. Sljedeći je stupac Wafer za sastavljanje rezida, koji uključuje oksid i organsko vezivanje u regiji III-V grupe. Sljedeći stupac je sklop čip-to-wafer, koji uključuje ugradnju III-V grupnog čipa u šupljinu silikonske rezine, a zatim obradu strukture valovoda. Prednost ovog prvog pristupa u tri stupca je u tome što se uređaj može u potpunosti testirati unutar rezanja prije rezanja. Stupac desnog najvišeg dijela je sklop čip-čipa, uključujući izravno spajanje silikonskih čipsa na III-V grupne čipove, kao i spajanje putem objektiva i rešetki. Trend komercijalnih aplikacija kreće se s desne na lijevu stranu grafikona prema integriranijim i integriranim rješenjima.

Slika 11: Kako je optički dobitak integriran u fotoniku na bazi silikona. Dok se krećete s lijeva na desno, točka umetanja u proizvodnji postupno se kreće unatrag u procesu.