Element activ fotonică de siliciu
Componentele active fotonice se referă în mod specific la interacțiuni dinamice proiectate intenționat între lumină și materie. O componentă activă tipică a fotonicii este un modulator optic. Toate actuale bazate pe siliciuModulatoare opticese bazează pe efectul transportatorului fără plasmă. Modificarea numărului de electroni și găuri libere dintr -un material de siliciu prin metode de dopaj, electrice sau optice poate schimba indicele său de refracție complex, un proces prezentat în ecuațiile (1,2) obținut prin montarea datelor de la Soref și Bennett la o lungime de undă de 1550 nanometre. În comparație cu electronii, găurile provoacă o proporție mai mare din modificările reale și imaginare ale indicelui de refracție, adică pot produce o schimbare de fază mai mare pentru o schimbare dată de pierdere, deci înModulatoare Mach-Zehnderși modulatori inelari, este de obicei preferat să folosești găuri pentru a faceModulatoare de fază.
DiferiteleModulator de siliciu (SI)Tipurile sunt prezentate în figura 10A. Într -un modulator de injecție de purtător, lumina este localizată în siliciu intrinsec într -o joncțiune cu pin foarte largă, iar electronii și găurile sunt injectate. Cu toate acestea, astfel de modulatori sunt mai lente, de obicei cu o lățime de bandă de 500 MHz, deoarece electronii și găurile libere durează mai mult pentru a se recombina după injecție. Prin urmare, această structură este adesea folosită ca un atenuator optic variabil (VOA), mai degrabă decât ca modulator. Într -un modulator de epuizare a purtătorului, porțiunea de lumină este situată într -o joncțiune PN îngustă, iar lățimea de epuizare a joncțiunii PN este schimbată de un câmp electric aplicat. Acest modulator poate funcționa la viteze care depășesc 50 GB/s, dar are o pierdere de inserție de fundal ridicată. VPIL tipic este de 2 V-CM. Un modulator semiconductor cu oxid de metal (MOS) (efectiv semiconductor-oxid-s-semiconductor) conține un strat de oxid subțire într-o joncțiune PN. Permite o anumită acumulare a purtătorului, precum și epuizarea purtătorului, permițând un VπL mai mic de aproximativ 0,2 V-CM, dar are dezavantajul pierderilor optice mai mari și a unei capacități mai mari pe lungimea unității. În plus, există modulatoare de absorbție electrică Sige bazată pe mișcarea Sige (Silicon Germanium Alloy). În plus, există modulatori de grafen care se bazează pe grafen pentru a comuta între metalele absorbante și izolatoarele transparente. Acestea demonstrează diversitatea aplicațiilor diferitelor mecanisme pentru a realiza o modulare a semnalului optic de mare viteză, cu pierderi scăzute.
Figura 10: (a) Diagrama în secțiune transversală a diferitelor modele de modulator optic bazat pe siliciu și (b) diagrama în secțiune transversală a proiectărilor detectorului optic.
Mai multe detectoare de lumină pe bază de siliciu sunt prezentate în figura 10B. Materialul absorbant este Germaniu (GE). GE este capabil să absoarbă lumina la lungimi de undă până la aproximativ 1,6 microni. Afișată în stânga este cea mai reușită structură de PIN de succes astăzi. Este compus din siliciu dopat de tip P pe care crește GE. GE și SI au o nepotrivire de 4% a zăbrelei, iar pentru a minimiza dislocarea, un strat subțire de Sige este cultivat pentru prima dată ca un strat tampon. Dopajul de tip N este efectuat în partea de sus a stratului GE. În mijloc este afișat un fotodiod de metal-siconductor-metal (MSM) și un APD (un APD (Fotodetector de avalanșă) este afișat în dreapta. Regiunea avalanșei în APD este situată în SI, care are caracteristici de zgomot mai mici în comparație cu regiunea Avalanche din materialele elementare din grupa III-V.
În prezent, nu există soluții cu avantaje evidente în integrarea câștigului optic cu fotonica de siliciu. Figura 11 prezintă mai multe opțiuni posibile organizate după nivelul de asamblare. În partea extremă stângă sunt integrări monolitice care includ utilizarea germaniului cultivat epitaxial (GE) ca material de câștig optic, ghiduri de undă de sticlă dopate cu erbium (ER) (cum ar fi Al2O3, care necesită pompare optică) și arsenidă de galiu cultivată epitaxial (GAAS). Următoarea coloană este wafer la asamblarea plafonului, care implică oxid și lipire organică în regiunea de câștig a grupului III-V. Următoarea coloană este ansamblul cip-to-wafer, care implică încorporarea cipului grupului III-V în cavitatea plafonului de siliciu și apoi prelucrarea structurii ghidului de undă. Avantajul acestei prime abordări în trei coloane este că dispozitivul poate fi testat complet funcțional în interiorul plafonului înainte de tăiere. Coloana din dreapta este ansamblul cip-to-cip, incluzând cuplarea directă a jetoanelor de siliciu la cipurile de grup III-V, precum și cuplarea prin intermediul obiectivului și cuplurilor de grătare. Tendința către aplicații comerciale se deplasează din partea dreaptă la stânga a graficului către soluții mai integrate și mai integrate.
Figura 11: Cum câștigul optic este integrat în fotonică pe bază de siliciu. Pe măsură ce vă deplasați de la stânga la dreapta, punctul de inserție de fabricație se deplasează treptat în proces.
Timpul post: 22-2024 iulie