Silicijev fotonski aktivni element

Silicijev fotonski aktivni element

Aktivne komponente fotonike se posebej nanašajo na namerno zasnovane dinamične interakcije med svetlobo in snovjo. Tipična aktivna komponenta fotonike je optični modulator. Vse trenutne na osnovi silicijaoptični modulatorjitemeljijo na učinku nosilca brez plazme. Spreminjanje števila prostih elektronov in lukenj v silicijevem materialu z dopiranjem, električnimi ali optičnimi metodami lahko spremeni njegov kompleksni lomni količnik, proces, prikazan v enačbah (1,2), pridobljenih s prilagajanjem podatkov Sorefa in Bennetta pri valovni dolžini 1550 nanometrov . V primerjavi z elektroni luknje povzročijo večji delež dejanskih in namišljenih sprememb lomnega količnika, kar pomeni, da lahko povzročijo večjo fazno spremembo za dano spremembo izgube, tako da vMach-Zehnder modulatorjiin obročnih modulatorjev, je za izdelavo običajno bolje uporabiti luknjefazni modulatorji.

Različnesilicijev (Si) modulatorvrste so prikazane na sliki 10A. V modulatorju z vbrizgavanjem nosilca se svetloba nahaja v intrinzičnem siliciju znotraj zelo širokega nožičnega spoja, elektroni in luknje pa se vbrizgajo. Vendar pa so takšni modulatorji počasnejši, običajno s pasovno širino 500 MHz, ker prosti elektroni in luknje potrebujejo več časa za rekombinacijo po vbrizgavanju. Zato se ta struktura pogosto uporablja kot spremenljivi optični dušilnik (VOA) in ne kot modulator. V modulatorju za izčrpavanje nosilca se svetlobni del nahaja v ozkem pn spoju, širina izčrpavanja pn spoja pa se spremeni z uporabljenim električnim poljem. Ta modulator lahko deluje pri hitrostih nad 50 Gb/s, vendar ima visoko vstavljeno izgubo v ozadju. Tipični vpil je 2 V-cm. Polprevodniški modulator s kovinskim oksidom (MOS) (pravzaprav polprevodnik-oksid-polprevodnik) vsebuje tanko plast oksida v pn spoju. Omogoča nekaj akumulacije nosilcev kot tudi izčrpavanje nosilcev, kar omogoča manjši VπL približno 0,2 V-cm, vendar ima pomanjkljivost večje optične izgube in večjo kapacitivnost na enoto dolžine. Poleg tega obstajajo modulatorji električne absorpcije SiGe, ki temeljijo na premikanju robov traku SiGe (silicijeva germanijeva zlitina). Poleg tega obstajajo grafenski modulatorji, ki se zanašajo na grafen za preklapljanje med absorpcijskimi kovinami in prozornimi izolatorji. Ti prikazujejo raznolikost aplikacij različnih mehanizmov za doseganje modulacije optičnega signala visoke hitrosti z nizkimi izgubami.

Slika 10: (A) Diagram preseka različnih zasnov optičnih modulatorjev na osnovi silicija in (B) diagram prereza zasnov optičnih detektorjev.

Na sliki 10B je prikazanih več detektorjev svetlobe na osnovi silicija. Absorpcijski material je germanij (Ge). Ge lahko absorbira svetlobo pri valovnih dolžinah do približno 1,6 mikrona. Na levi je prikazana komercialno najuspešnejša zatična struktura danes. Sestavljen je iz dopiranega silicija tipa P, na katerem raste Ge. Ge in Si imata 4-odstotno neusklajenost mreže in da bi zmanjšali dislokacijo, se najprej goji tanka plast SiGe kot vmesna plast. Dopiranje tipa N se izvede na vrhu plasti Ge. Na sredini je prikazana fotodioda kovina-polprevodnik-kovina (MSM) in APD (lavinski fotodetektor) je prikazano na desni. Lavinsko območje v APD se nahaja v Si, ki ima nižje hrupne značilnosti v primerjavi z lavinskim območjem v elementarnih materialih skupine III-V.

Trenutno ni rešitev z očitnimi prednostmi pri integraciji optičnega ojačanja s silicijevo fotoniko. Slika 11 prikazuje več možnih možnosti, razvrščenih po ravni sklopa. Na skrajni levi so monolitne integracije, ki vključujejo uporabo epitaksialno gojenega germanija (Ge) kot optičnega ojačanega materiala, z erbijem dopiranih (Er) steklenih valovodov (kot je Al2O3, ki zahteva optično črpanje) in epitaksialno gojenega galijevega arzenida (GaAs ) kvantne pike. Naslednji stolpec je sestavljanje med rezinami, ki vključuje oksidno in organsko vez v območju ojačitve skupine III-V. Naslednji stolpec je sestavljanje čipa na rezino, ki vključuje vdelavo čipa skupine III-V v votlino silicijeve rezine in nato strojno obdelavo strukture valovoda. Prednost tega pristopa s prvimi tremi stolpci je, da je mogoče napravo pred rezanjem testirati v celoti funkcionalno znotraj rezine. V skrajnem desnem stolpcu je sestavljanje od čipa do čipa, vključno z neposrednim spajanjem silicijevih čipov na čipe skupine III-V, kot tudi spajanje preko spojnikov leče in rešetke. Trend komercialnih aplikacij se pomika z desne na levo stran grafikona proti bolj integriranim in integriranim rešitvam.

Slika 11: Kako je optično ojačenje integrirano v fotoniko na osnovi silicija. Ko se premikate od leve proti desni, se proizvodna točka vstavljanja med postopkom postopoma premakne nazaj.