Element activ fotonic al siliciului

Element activ fotonic al siliciului

Componentele active fotonice se referă în mod specific la interacțiunile dinamice proiectate intenționat între lumină și materie. O componentă activă tipică a fotonicii este un modulator optic. Toate actuale pe bază de siliciumodulatoare opticese bazează pe efectul purtător fără plasmă. Modificarea numărului de electroni liberi și găuri dintr-un material de siliciu prin dopaj, metode electrice sau optice poate modifica indicele de refracție complex al acestuia, un proces prezentat în ecuațiile (1,2) obținute prin ajustarea datelor de la Soref și Bennett la o lungime de undă de 1550 nanometri. . În comparație cu electronii, găurile provoacă o proporție mai mare a modificărilor indicelui de refracție real și imaginar, adică pot produce o schimbare de fază mai mare pentru o anumită modificare a pierderii, deci înModulatoare Mach-Zehnderși modulatoare inelare, de obicei se preferă să se folosească găuri pentru a facemodulatoare de fază.

Diverselemodulator de siliciu (Si).tipurile sunt prezentate în Figura 10A. Într-un modulator de injecție purtător, lumina este situată în siliciu intrinsec într-o joncțiune foarte largă a pinii, iar electronii și găurile sunt injectate. Cu toate acestea, astfel de modulatori sunt mai lenți, de obicei cu o lățime de bandă de 500 MHz, deoarece electronii liberi și găurile durează mai mult să se recombine după injecție. Prin urmare, această structură este adesea folosită ca un atenuator optic variabil (VOA) mai degrabă decât un 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 modificată de un câmp electric aplicat. Acest modulator poate funcționa la viteze care depășesc 50 Gb/s, dar are o pierdere mare de inserție de fundal. Vpilul tipic este de 2 V-cm. Un modulator semiconductor de oxid de metal (MOS) (de fapt semiconductor-oxid-semiconductor) conține un strat subțire de oxid într-o joncțiune pn. Permite o anumită acumulare de purtător, precum și epuizarea purtătorului, permițând un VπL mai mic de aproximativ 0,2 V-cm, dar are dezavantajul pierderilor optice mai mari și capacității mai mari pe unitate de lungime. În plus, există modulatoare electrice de absorbție SiGe bazate pe mișcarea marginii benzii SiGe (aliaj de siliciu germaniu). În plus, există modulatori de grafen care se bazează pe grafen pentru a comuta între metale absorbante și izolatori transparenți. Acestea demonstrează diversitatea aplicațiilor diferitelor mecanisme pentru a obține modularea semnalului optic de mare viteză și pierderi reduse.

Figura 10: (A) Diagrama în secțiune transversală a diferitelor modele de modulatoare optice pe bază de siliciu și (B) diagrama în secțiune transversală a modelelor de detectoare optice.

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 de până la aproximativ 1,6 microni. În stânga este afișată cea mai de succes structură de știft din punct de vedere comercial de astăzi. Este compus din siliciu dopat de tip P pe care crește Ge. Ge și Si au o nepotrivire a rețelei de 4% și, pentru a minimiza dislocarea, un strat subțire de SiGe este mai întâi crescut ca strat tampon. Dopajul de tip N se efectuează pe partea superioară a stratului Ge. O fotodiodă metal-semiconductor-metal (MSM) este prezentată în mijloc, iar un APD (Fotodetector de avalanșă) este afișat în dreapta. Regiunea de avalanșă din APD este situată în Si, care are caracteristici de zgomot mai scăzute în comparație cu regiunea de avalanșă din materialele elementare din Grupa III-V.

În prezent, nu există soluții cu avantaje evidente în integrarea câștigului optic cu fotonica cu siliciu. Figura 11 prezintă mai multe opțiuni posibile organizate pe nivel de asamblare. În partea stângă sunt integrări monolitice care includ utilizarea germaniului crescut epitaxial (Ge) ca material de câștig optic, ghiduri de undă din sticlă dopată cu erbiu (Er) (cum ar fi Al2O3, care necesită pompare optică) și arseniură de galiu crescută epitaxial (GaAs). ) puncte cuantice. Următoarea coloană este un ansamblu de napolitană la placă, care implică oxid și legături organice în regiunea de câștig al grupului III-V. Următoarea coloană este asamblarea cip-la-plachetă, care implică încorporarea cipului grupului III-V în cavitatea plachetei de siliciu și apoi prelucrarea structurii ghidului de undă. Avantajul acestei abordări pe primele trei coloane este că dispozitivul poate fi testat pe deplin funcțional în interiorul plăcii înainte de tăiere. Coloana din dreapta este asamblarea cip-la-cip, inclusiv cuplarea directă a cipurilor de siliciu la cipurile din grupul III-V, precum și cuplarea prin lentile și cuplaje de rețea. Tendința către aplicații comerciale se deplasează din partea dreaptă spre stânga a diagramei către soluții mai integrate și mai integrate.

Figura 11: Cum este integrat câștigul optic în fotonica pe bază de siliciu. Pe măsură ce vă deplasați de la stânga la dreapta, punctul de inserție de fabricație se deplasează treptat înapoi în proces.