Aktivni element silicijske fotonike

Aktivni element silicijske fotonike

Aktivne komponente fotonike odnose se posebno na namjerno dizajnirane dinamičke interakcije između svjetlosti i materije. Tipična aktivna komponenta fotonike je optički modulator. Svi trenutni dijelovi na bazi silicijaoptički modulatoritemelje se na efektu slobodnog nosioca plazme. Promjena broja slobodnih elektrona i šupljina u silicijskom materijalu dopiranjem, električnim ili optičkim metodama može promijeniti njegov kompleksni indeks loma, proces prikazan u jednadžbama (1,2) dobivenim prilagođavanjem podataka Sorefa i Bennetta na valnoj duljini od 1550 nanometara. U usporedbi s elektronima, šupljine uzrokuju veći udio promjena stvarnog i imaginarnog indeksa loma, odnosno mogu proizvesti veću faznu promjenu za danu promjenu gubitka, pa uMach-Zehnderovi modulatorii prstenastih modulatora, obično se preferira korištenje rupa za izradufazni modulatori.

Različitisilicijev (Si) modulatortipovi su prikazani na slici 10A. U modulatoru s ubrizgavanjem nosioca, svjetlost se nalazi u intrinzičnom siliciju unutar vrlo širokog pin spoja, a elektroni i šupljine se ubrizgavaju. Međutim, takvi modulatori su sporiji, obično s propusnošću od 500 MHz, jer slobodnim elektronima i šupljinama treba dulje da se rekombiniraju nakon ubrizgavanja. Stoga se ova struktura često koristi kao varijabilni optički atenuator (VOA), a ne kao modulator. U modulatoru s osiromašenjem nosioca, dio svjetlosti se nalazi u uskom pn spoju, a širina osiromašenja pn spoja mijenja se primijenjenim električnim poljem. Ovaj modulator može raditi brzinama većim od 50 Gb/s, ali ima visoki pozadinski gubitak unošenja. Tipični vpil je 2 V-cm. Modulator metal-oksid-poluvodički (MOS) (zapravo poluvodič-oksid-poluvodički) sadrži tanki sloj oksida u pn spoju. Omogućuje određenu akumulaciju nosioca, kao i osiromašenje nosioca, omogućujući 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 temeljeni na pomicanju ruba SiGe (legura silicija i germanija) pojasa. Osim toga, postoje i grafenski modulatori koji se oslanjaju na grafen za prebacivanje između apsorbirajućih metala i prozirnih izolatora. To pokazuje raznolikost primjena različitih mehanizama za postizanje brze optičke modulacije signala s malim gubicima.

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

Na slici 10B prikazano je nekoliko detektora svjetlosti na bazi silicija. Apsorbirajući materijal je germanij (Ge). Ge može apsorbirati svjetlost na valnim duljinama do oko 1,6 mikrona. Na lijevoj strani prikazana je komercijalno najuspješnija pin struktura danas. Sastoji se od silicija dopiranog P-tipom na kojem raste Ge. Ge i Si imaju 4% neusklađenosti rešetke, a kako bi se smanjila dislokacija, prvo se uzgaja tanki sloj SiGe kao međusloj. Dopiranje N-tipa izvodi se na vrhu sloja Ge. U sredini je prikazana fotodioda metal-poluvodič-metal (MSM), a u sredini APD (lavinski fotodetektor) je prikazano s desne strane. Područje lavine u APD-u nalazi se u Si, koji ima niže karakteristike šuma u usporedbi s područjem lavine u elementarnim materijalima Grupe III-V.

Trenutno ne postoje rješenja s očitim prednostima u integraciji optičkog pojačanja sa silicijskom fotonikom. Slika 11 prikazuje nekoliko mogućih opcija organiziranih prema razini montaže. Na krajnjoj lijevoj strani su monolitne integracije koje uključuju upotrebu epitaksijalno uzgojenog germanija (Ge) kao materijala za optičko pojačanje, erbijem dopirane (Er) staklene valovode (kao što je Al2O3, koji zahtijeva optičko pumpanje) i epitaksijalno uzgojene kvantne točke galij arsenida (GaAs). Sljedeći stupac je montaža pločice na pločicu, koja uključuje oksidno i organsko vezivanje u području pojačanja III-V skupine. Sljedeći stupac je montaža čipa na pločicu, koja uključuje ugradnju čipa III-V skupine u šupljinu silicijske pločice, a zatim strojnu obradu strukture valovoda. Prednost ovog pristupa s prva tri stupca je u tome što se uređaj može u potpunosti funkcionalno testirati unutar pločice prije rezanja. Krajnji desni stupac je montaža čipa na čip, uključujući izravno spajanje silicijskih čipova na čipove III-V skupine, kao i spajanje putem leća i rešetki. Trend prema komercijalnim primjenama pomiče se s desne na lijevu stranu grafikona prema integriranijim i cjelovitijim rješenjima.

Slika 11: Kako je optičko pojačanje integrirano u fotoniku na bazi silicija. Kako se krećete s lijeva na desno, točka umetanja u proizvodnji postupno se pomiče natrag u procesu.