Element activ fotonic din siliciu

Element activ fotonic din siliciu

Componentele active fotonice se referă în mod specific la interacțiuni dinamice intenționat concepute între lumină și materie. O componentă activă tipică a fotonicii este un modulator optic. Toate componentele actuale pe bază de siliciumodulatoare opticese bazează pe efectul de purtător liber de plasmă. Modificarea numărului de electroni liberi și goluri dintr-un material de siliciu prin dopare, metode electrice sau optice poate modifica indicele său de refracție complex, un proces prezentat în ecuațiile (1,2) obținute prin ajustarea datelor de la Soref și Bennett la o lungime de undă de 1550 nanometri. Comparativ cu electronii, golurile provoacă o proporție mai mare din modificările indicelui de refracție real și imaginar, adică pot produce o schimbare de fază mai mare pentru o anumită schimbare de pierdere, deci înModulatoare Mach-Zehnderși modulatoare inelare, de obicei se preferă utilizarea găurilor pentru a realizamodulatoare de fază.

Diverselemodulator de siliciu (Si)Tipurile sunt prezentate în Figura 10A. Într-un modulator cu injecție de purtătoare, lumina este localizată în siliciul intrinsec, în cadrul unei joncțiuni pin foarte late, iar electronii și golurile 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 golurile au nevoie de mai mult timp pentru a se recombina după injecție. Prin urmare, această structură este adesea utilizată ca atenuator optic variabil (VOA) mai degrabă decât ca modulator. Într-un modulator cu epuizare a purtătorului, porțiunea de lumină este localizată 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 mai mari de 50 Gb/s, dar are o pierdere de inserție de fond ridicată. Vpil-ul tipic este de 2 V-cm. Un modulator metal-oxid-semiconductor (MOS) (de fapt, semiconductor-oxid-semiconductor) conține un strat subțire de oxid într-o joncțiune pn. Permite o oarecare acumulare de purtători, precum și epuizarea purtătorilor, permițând o VπL mai mică de aproximativ 0,2 V-cm, dar prezintă dezavantajul unor pierderi optice mai mari și a unei capacități mai mari pe unitatea de lungime. În plus, există modulatori de absorbție electrică SiGe bazați 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 o modulație a semnalului optic de mare viteză și cu pierderi reduse.

Figura 10: (A) Diagramă în secțiune transversală a diferitelor modele de modulatoare optice pe bază de siliciu și (B) diagramă 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 germaniul (Ge). Ge este capabil să absoarbă lumina la lungimi de undă de până la aproximativ 1,6 microni. În stânga este prezentată cea mai reușită structură de pin comercial în prezent. Este compusă din siliciu dopat de tip P pe care crește Ge. Ge și Si au o nepotrivire de rețea de 4% și, pentru a minimiza dislocarea, un strat subțire de SiGe este mai întâi crescut ca strat tampon. Doparea de tip N se efectuează pe partea superioară a stratului de Ge. O fotodiodă metal-semiconductor-metal (MSM) este prezentată în mijloc și un APD (fotodetector de avalanșă) este prezentată 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 Grupele III-V.

În prezent, nu există soluții cu avantaje evidente în integrarea câștigului optic cu fotonica din siliciu. Figura 11 prezintă mai multe opțiuni posibile, organizate după nivelul de asamblare. În extrema stângă se află integrări monolitice care includ utilizarea germaniului (Ge) crescut epitaxial ca material de câștig optic, ghiduri de undă din sticlă dopată cu erbiu (Er) (cum ar fi Al2O3, care necesită pompare optică) și puncte cuantice de arsenură de galiu (GaAs) crescute epitaxial. Următoarea coloană este asamblarea plachetă-plachetă, implicând legături de oxid și organice în regiunea de câștig a grupului III-V. Următoarea coloană este asamblarea cip-plachetă, care implică încorporarea cipului grupului III-V în cavitatea plachetei de siliciu și apoi prelucrarea structurii ghidului de undă. Avantajul acestei prime abordări cu trei coloane este că dispozitivul poate fi testat complet funcțional în interiorul plachetei înainte de tăiere. Coloana din dreapta este asamblarea cip-cip, inclusiv cuplarea directă a cipurilor de siliciu la cipurile grupului III-V, precum și cuplarea prin cuploare de lentilă și rețea. Tendința către aplicațiile comerciale se deplasează din partea dreaptă spre stânga a graficului 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 în fabricație se deplasează treptat înapoi în proces.