Aktivní prvek křemíkové fotoniky
Aktivní fotonické komponenty se konkrétně vztahují k záměrně navrženým dynamickým interakcím mezi světlem a hmotou. Typickou aktivní komponentou fotoniky je optický modulátor. Všechny současné komponenty na bázi křemíku...optické modulátoryjsou založeny na efektu volných nosičů náboje v plazmatu. Změna počtu volných elektronů a děr v křemíkovém materiálu dopováním, elektrickými nebo optickými metodami může změnit jeho komplexní index lomu, což je proces znázorněný v rovnicích (1,2) získaných fitováním dat od Sorefa a Bennetta na vlnové délce 1550 nanometrů. Ve srovnání s elektrony způsobují díry větší podíl reálných a imaginárních změn indexu lomu, tj. mohou způsobit větší fázovou změnu pro danou změnu ztrát, takže vMach-Zehnderovy modulátorya kruhové modulátory, obvykle se dává přednost použití otvorů k vytvořenífázové modulátory.
Různékřemíkový (Si) modulátorTypy jsou znázorněny na obrázku 10A. V modulátoru s injekcí nosičů náboje je světlo umístěno ve vnitřním křemíku ve velmi širokém pinovém přechodu a jsou injektovány elektrony a díry. Takové modulátory jsou však pomalejší, obvykle s šířkou pásma 500 MHz, protože volné elektrony a díry se po injekci rekombinují déle. Proto se tato struktura často používá spíše jako variabilní optický atenuátor (VOA) než jako modulátor. V modulátoru s deplecí nosičů náboje je světelná část umístěna v úzkém pn přechodu a šířka deplece pn přechodu se mění aplikovaným elektrickým polem. Tento modulátor může pracovat rychlostí přesahující 50 Gb/s, ale má vysoký vložný útlum pozadí. Typický vpil je 2 V-cm. Modulátor typu polovodič-oxid-polovodič (MOS) (ve skutečnosti polovodič-oxid-polovodič) obsahuje tenkou vrstvu oxidu v pn přechodu. Umožňuje určitou akumulaci nosičů náboje i jejich depleci, 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 okrajů pásu SiGe (slitina křemíku a germania). Kromě toho existují grafenové modulátory, které se spoléhají na grafen pro přepínání mezi absorpčními kovy a průhlednými izolanty. Ty demonstrují rozmanitost aplikací různých mechanismů pro dosažení vysokorychlostní modulace optického signálu s nízkými ztrátami.
Obrázek 10: (A) Průřezový diagram různých konstrukcí optických modulátorů na bázi křemíku a (B) průřezový diagram konstrukcí optických detektorů.
Na obrázku 10B je znázorněno několik detektorů světla na bázi křemíku. Absorpčním materiálem je germanium (Ge). Ge je schopno absorbovat světlo o vlnových délkách až do přibližně 1,6 mikronu. Vlevo je znázorněna komerčně nejúspěšnější pinová struktura současnosti. Je složena z křemíku dopovaného typu P, na kterém roste Ge. Ge a Si mají 4% nesoulad mřížky a aby se minimalizovala dislokace, nejprve se jako tlumicí vrstva nanese tenká vrstva SiGe. Na horní část vrstvy Ge se provádí dopování typu N. Uprostřed je znázorněna fotodioda kov-polovodič-kov (MSM) a APD (lavinový fotodetektor) je zobrazena vpravo. Lavinová oblast v APD se nachází v Si, které má nižší šumové charakteristiky ve srovnání s lavinovou oblastí v elementárních materiálech skupiny III-V.
V současné době neexistují žádná řešení se zjevnými výhodami v integraci optického zesílení s křemíkovou fotonikou. Obrázek 11 ukazuje několik možných možností uspořádaných podle úrovně sestavy. Vlevo úplně jsou monolitické integrace, které zahrnují použití epitaxně pěstovaného germania (Ge) jako materiálu pro optický zesílení, erbiem dopované (Er) skleněné vlnovody (jako je Al2O3, které vyžadují optické čerpání) a epitaxně pěstované kvantové tečky z arsenidu galia (GaAs). Další sloupec je sestavování destiček na destičku, zahrnující oxidové a organické vazby v oblasti zesílení skupiny III-V. Další sloupec je sestavování čip na destičku, které zahrnuje vložení čipu skupiny III-V do dutiny křemíkového destičky a následné obrábění struktury vlnovodu. Výhodou tohoto přístupu s prvními třemi sloupci je, že zařízení lze plně funkční testovat uvnitř destičky před řezáním. Sloupec úplně vpravo je sestavování čip na čip, včetně přímého propojení křemíkových čipů s čipy skupiny III-V, stejně jako propojení pomocí čočkových a mřížkových vazebních členů. Trend směrem ke komerčním aplikacím se posouvá zprava doleva směrem k integrovanějším a integrovanějším řešením.
Obrázek 11: Jak je optický zisk integrován do fotoniky na bázi křemíku. Při pohybu zleva doprava se bod vložení do výroby v průběhu procesu postupně posouvá zpět.
Čas zveřejnění: 22. července 2024