Silikonový fotonický aktivní prvek

Silikonový fotonický aktivní prvek

Fotonické aktivní složky odkazují specificky na záměrně navržené dynamické interakce mezi světlem a hmotou. Typickou aktivní složkou fotoniky je optický modulátor. Všechny současné na bázi křemíkuoptické modulátoryjsou založeny na efektu nosiče bez plazmy. Změna počtu volných elektronů a děr v křemíkovém materiálu dotováním, elektrickými nebo optickými metodami může změnit jeho komplexní index lomu, což je proces znázorněný v rovnicích (1,2) získaných proložením dat od Sorefa a Bennetta při vlnové délce 1550 nanometrů. . Ve srovnání s elektrony způsobují díry větší podíl skutečných a imaginárních změn indexu lomu, to znamená, že mohou způsobit větší fázovou změnu pro danou změnu ztráty, takže vMach-Zehnderovy modulátorya prstencových modulátorů, je obvykle výhodné použít k výrobě otvoryfázové modulátory.

Různékřemíkový (Si) modulátortypy jsou znázorněny na obrázku 10A. V modulátoru vstřikování nosiče je světlo umístěno ve vnitřním křemíku ve velmi širokém kolíkovém spojení a jsou injektovány elektrony a otvory. Takové modulátory jsou však pomalejší, typicky se šířkou pásma 500 MHz, protože volným elektronům a dírám trvá rekombinace po injekci déle. Proto se tato struktura často používá jako variabilní optický atenuátor (VOA) spíše než modulátor. V modulátoru ochuzování nosné je světelná část umístěna v úzkém pn přechodu a šířka ochuzování pn přechodu se mění aplikovaným elektrickým polem. Tento modulátor může pracovat při rychlostech přesahujících 50 Gb/s, ale má vysokou ztrátu vložení na pozadí. Typický vpil je 2 V-cm. Modulátor oxidu kovu (MOS) (ve skutečnosti polovodič-oxid-polovodič) obsahuje tenkou vrstvu oxidu v pn přechodu. Umožňuje určitou akumulaci nosiče a také vyčerpání nosiče, což umožňuje menší VπL asi 0,2 V-cm, ale má nevýhodu vyšších optických ztrát a vyšší kapacity na jednotku délky. Kromě toho existují modulátory elektrické absorpce SiGe založené na pohybu okraje pásu SiGe (slitina křemíku a germánia). Kromě toho existují grafenové modulátory, které se spoléhají na grafen při přepínání mezi absorbujícími kovy a průhlednými izolátory. Ty demonstrují rozmanitost aplikací různých mechanismů k dosažení vysokorychlostní modulace optického signálu s nízkou ztrátou.

Obrázek 10: (A) Schéma průřezu různých konstrukcí optických modulátorů na bázi křemíku a (B) schéma průřezu konstrukcí optických detektorů.

Několik detektorů světla na bázi křemíku je zobrazeno na obrázku 10B. Absorpčním materiálem je germanium (Ge). Ge je schopen absorbovat světlo o vlnových délkách až do asi 1,6 mikronu. Vlevo je komerčně nejúspěšnější čepová struktura současnosti. Skládá se z dopovaného křemíku typu P, na kterém roste Ge. Ge a Si mají 4% nesoulad mřížky, a aby se minimalizovala dislokace, nejprve se naroste tenká vrstva SiGe jako nárazníková vrstva. Dopování typu N se provádí na horní části Ge vrstvy. Uprostřed je zobrazena fotodioda kov-polovodič-kov (MSM) a APD (lavinový fotodetektor) je zobrazena vpravo. Lavinová oblast v APD se nachází v Si, který má nižší hlukové charakteristiky ve srovnání s lavinovou oblastí u elementárních materiálů skupiny III-V.

V současné době neexistují žádná řešení se zjevnými výhodami v integraci optického zisku s křemíkovou fotonikou. Obrázek 11 ukazuje několik možných možností uspořádaných podle úrovně sestavy. Zcela vlevo jsou monolitické integrace, které zahrnují použití epitaxně pěstovaného germania (Ge) jako materiálu pro optický zisk, erbiem dopovaných (Er) skleněných vlnovodů (jako je Al2O3, který vyžaduje optické čerpání) a epitaxně pěstovaného arsenidu galia (GaAs). ) kvantové tečky. Další sloupec je sestava wafer to wafer, zahrnující oxidovou a organickou vazbu v oblasti zisku skupiny III-V. Dalším sloupcem je montáž čip-to-wafer, která zahrnuje zapuštění čipu skupiny III-V do dutiny křemíkového plátku a následné opracování struktury vlnovodu. Výhodou tohoto přístupu s prvními třemi sloupci je, že zařízení lze před řezáním plně funkční testovat uvnitř plátku. Sloupec zcela vpravo je sestava čip-čip, včetně přímého připojení křemíkových čipů k čipům skupiny III-V, jakož i připojení přes čočky a mřížkové spojky. Trend ke komerčním aplikacím se přesouvá z pravé na levou stranu žebříčku směrem k integrovanějším a integrovanějším řešením.

Obrázek 11: Jak je optický zisk integrován do fotoniky na bázi křemíku. Jak se pohybujete zleva doprava, výrobní vkládací bod se v procesu postupně posouvá zpět.


Čas odeslání: 22. července 2024