Aktivní prvek křemíku fotoniky

Aktivní prvek křemíku fotoniky

Aktivní komponenty fotoniky se konkrétně vztahují na úmyslně navržené dynamické interakce mezi světlem a hmotou. Typickou aktivní složkou fotoniky je optický modulátor. Všechny aktuální křemíkovéOptické modulátoryjsou založeny na efektu nosiče bez plazmy. Změna počtu volných elektronů a otvorů v křemíkovém materiálu dopingovým, elektrickým nebo optickým metodou může změnit svůj komplexní index lomu, proces zobrazený v rovnicích (1,2) získaný montáží dat z Soref a Bennett na vlnové délce 1550 nanometrů. Ve srovnání s elektrony způsobují otvory větší podíl skutečných a imaginárních změn indexu lomu, to znamená, že pro danou změnu ztráty mohou vytvořit větší fázovou změnu, takže vModulátory Mach-Zehndera prstencové modulátory, obvykle se upřednostňuje používat otvoryfázové modulátory.

RůznéModulátor křemíku (SI)Typy jsou znázorněny na obrázku 10a. V injekčním modulátoru nosiče je světlo umístěno ve vnitřním křemíku ve velmi širokém kolíku a vstřikují se elektrony a otvory. Takové modulátory jsou však pomalejší, obvykle s šířkou pásma 500 MHz, protože volné elektrony a otvory trvají rekombinující po injekci déle. Tato struktura se proto často používá spíše jako variabilní optický atenuátor (VOA) než jako modulátor. V modulátoru vyčerpání nosiče je světelná část umístěna v úzkém PN křižovatce a šířka vyčerpání PN spojení se mění aplikovaným elektrickým polem. Tento modulátor může pracovat při rychlostech vyšší než 50 GB/s, ale má vysokou ztrátu vložení pozadí. Typický VPIL je 2 V-CM. Modulátor oxidu kovového oxidu (MOS) (ve skutečnosti polovodičový oxid -semiconductor) obsahuje vrstvu tenkého oxidu ve spojení PN. Umožňuje určité akumulaci nosiče i vyčerpání nosiče, což umožňuje menší Vπl asi 0,2 V-CM, ale má nevýhodu vyšších optických ztrát a vyšší kapacitance na jednotku délky. Kromě toho existují elektrické absorpční modulátory SIGE založené na pohybu okraje pásma SIGE (silicon germanium slitiny). Kromě toho existují modulátory grafenu, které se spoléhají na grafen pro přepínání mezi absorbujícími kovy a transparentními izolátory. Ty ukazují rozmanitost aplikací různých mechanismů k dosažení vysokorychlostní modulace optického signálu s nízkým ztrátou.

Obrázek 10: a) Průřezový diagram různých návrhů optických modulátorů na bázi křemíku a (b) průřezového diagramu návrhů optických detektorů.

Několik detektorů světla na bázi křemíku je znázorněno na obrázku 10b. Absorbující materiál je germanium (GE). GE je schopen absorbovat světlo na vlnových délkách až na asi 1,6 mikronů. Nalevo je dnes komerčně nejúspěšnější strukturou pinů. Skládá se z dotovaného křemíku typu p, na kterém GE roste. GE a SI mají 4% neshodu mřížky a za účelem minimalizace dislokace se nejprve pěstuje tenká vrstva SIGE jako vrstva pufru. Doping typu N se provádí na vrcholu vrstvy GE. Ve středu je zobrazena fotodioda kovověkunduktoru (MSM) a APD (APD (A laviny fotodetektor) je zobrazen napravo. A lavinová oblast v APD se nachází v SI, která má nižší vlastnosti šumu ve srovnání s lavinovou oblastí v elementárních materiálech skupiny III-V.

V současné době neexistují žádná řešení se zjevnými výhodami při integraci optického zisku s silikonovou fotonikou. Obrázek 11 ukazuje několik možných možností uspořádaných na úrovni montáže. Na krajně levé straně jsou monolitické integrace, které zahrnují použití epitaxiálně pěstovaného germania (GE) jako materiálu optického zisku, erbium dotovaného (er) skleněného vlnovodu (jako je Al2O3, které vyžadují optické čerpání) a epitaxiálně pěstované arzenid gallium arsenid (GaAS). Další sloupec je oplatka na sestavu oplatky, zahrnující oxid a organické vazby v oblasti zisku skupiny III-V. Dalším sloupcem je sestava Chip-to-Wafer, která zahrnuje vložení skupiny III-V do čipu do dutiny křemíkové destičky a poté obrábění struktury vlnovodu. Výhodou tohoto prvního tří sloupcového přístupu je, že zařízení může být před řezáním plně funkční testováno uvnitř oplatky. Nejvyšší sloupec je sestava čipu k čipu, včetně přímého spojení křemíkových čipů do skupinových čipů III-V, jakož i spojování pomocí čočky a mřížkových vazeb. Trend směrem k komerčním aplikacím se pohybuje zprava na levou stranu grafu k integrovanějším a integrovanějším řešením.

Obrázek 11: Jak je optický zisk integrován do fotoniky na bázi křemíku. Když se pohybujete zleva doprava, bod vložení výroby se postupně pohybuje zpět.