Silicijev fotonični aktivni element

Silicijev fotonični aktivni element

Aktivne komponente fotonike se nanašajo posebej na namerno zasnovane dinamične interakcije med svetlobo in snovjo. Tipična aktivna komponenta fotonike je optični modulator. Vsi trenutni silicijski osnovioptični modulatorjitemeljijo na učinku nosilca brez plazme. Spreminjanje števila prostih elektronov in lukenj v silicijevem materialu z dopingom, električnimi ali optičnimi metodami lahko spremeni svoj kompleksni indeks loma, postopek, prikazan v enačbah (1,2), pridobljenem z namestitvijo podatkov iz Soref in Bennett na valovno dolžino 1550 nanometrov. V primerjavi z elektroni luknje povzročajo večji delež resničnih in namišljenih sprememb indeksa loma, to je, da lahko ustvarijo večjo fazno spremembo za dano spremembo izgube, zato vMach-Zehnder modulatorjiin modulatorji obročev, običajno je raje uporabljati luknje za izdelavofazni modulatorji.

RazličneSilicijev (SI) modulatorVrste so prikazane na sliki 10A. V modulatorju za vbrizgavanje nosilca je svetloba nameščena v notranjem siliciju znotraj zelo širokega stičišča, vbrizgajo pa se elektroni in luknje. Vendar so takšni modulatorji počasnejši, običajno s pasovno širino 500 MHz, ker prosti elektroni in luknje po injiciranju trajajo dlje. Zato se ta struktura pogosto uporablja kot spremenljivi optični atenuator (VOA) in ne kot modulator. V modulatorju za izčrpavanje nosilca je svetlobni del nameščen v ozkem stičišču PN, širina izčrpavanja PN stika pa se spremeni z uporabljenim električnim poljem. Ta modulator lahko deluje s hitrostjo, ki presega 50 GB/s, vendar ima veliko izgubo vstavitve v ozadju. Tipičen VPIL je 2 V-CM. Kovinski oksidni polprevodnik (MOS) (dejansko polprevodniški oksid-polprevodnik) modulator vsebuje tanko oksidno plast v PN stičišču. Omogoča nekaj kopičenja nosilcev in izčrpavanje nosilcev, kar omogoča manjši Vπl približno 0,2 V-CM, vendar ima pomanjkljivost večjih optičnih izgub in večje kapacitivnosti na enoto dolžine. Poleg tega obstajajo modulatorji Električne absorpcije SIGE, ki temeljijo na gibanju pasu SIGE (Silicon Germanium Alloy). Poleg tega obstajajo modulatorji grafena, ki se zanašajo na grafen za preklapljanje med absorbirajočimi kovinami in prozornimi izolatorji. Te kažejo na raznolikost aplikacij različnih mehanizmov za doseganje hitrega modulacije optičnega signala z nizko izgubo.

Slika 10: (a) Prečni prečni diagram različnih modelov optičnega modulatorja na osnovi silicija in (b) prečnega prereza optičnih detektorjev.

Na sliki 10b je prikazanih več detektorjev svetlobe na osnovi silicija. Absorbiralni material je germanium (GE). GE lahko absorbira svetlobo pri valovnih dolžinah do približno 1,6 mikronov. Prikazana na levi je danes najbolj komercialno uspešna struktura PIN. Sestavljen je iz P-tipa dopiranega silicija, na katerem raste GE. GE in SI imata 4 -odstotno rešetko, da bi zmanjšali dislokacijo, se tanka plast sige najprej goji kot pufer. N-tipa doping se izvaja na vrhu plasti GE. Na sredini je prikazan kovinsko-polprevodniški kovinski (MSM) in APD (Photodetektor plazov) je prikazan na desni. Regija plazov v APD se nahaja v SI, ki ima nižje značilnosti hrupa v primerjavi z regijo plazov v elementarnih materialih skupine III-V.

Trenutno ni rešitev z očitnimi prednosti pri vključevanju optičnega dobička s silikonsko fotoniko. Slika 11 prikazuje več možnih možnosti, ki jih organizira raven montaže. Na skrajni levi strani so monolitne integracije, ki vključujejo uporabo epitaksialno gojenega germanija (GE) kot materiala za optično pridobivanje, steklene valovode, dopirane z erbijem (na primer Al2O3, ki zahteva optično črpanje), in epitaksialno gojen galijev arsenid (GAAS) kvantumne kvantne. Naslednji stolpec je rezin za rezine, ki vključuje oksid in organsko vez v regiji dobička skupine III-V. Naslednji stolpec je sklop od čipa do vožnje, ki vključuje vgradnjo skupine III-V v votlino silicijeve rezine in nato obdelavo valovodne strukture. Prednost tega prvega pristopa v treh stolpcih je, da je naprava lahko pred rezanjem popolnoma funkcionalno preizkušena znotraj rezine. Najbolj desni stolpec je sklop čipa na čip, vključno z neposrednim sklopkom silikonskih čipov v skupine III-V, pa tudi s sklopkom prek objektiva in rešetk. Trend pri komercialnih aplikacijah se premika z desne na levi strani grafikona k bolj integriranim in integriranim rešitvam.

Slika 11: Kako je optični dobiček integriran v fotoniko, ki temelji na siliciju. Ko se premikate od leve proti desni, se proizvodna točka vstavitve postopoma premika nazaj v postopek.