Aktivni element silicijeve fotonike

Aktivni element silicijeve fotonike

Aktivne komponente fotonike se nanašajo posebej na namensko zasnovane dinamične interakcije med svetlobo in snovjo. Tipična aktivna komponenta fotonike je optični modulator. Vse trenutne komponente na osnovi silicijaoptični modulatorjitemeljijo na učinku prostega nosilca naboja v plazmi. Spreminjanje števila prostih elektronov in vrzeli v silicijevem materialu z dopiranjem, električnimi ali optičnimi metodami lahko spremeni njegov kompleksni lomni količnik, kar je prikazano v enačbah (1,2), pridobljenih s prilagajanjem podatkov Sorefa in Bennetta pri valovni dolžini 1550 nanometrov. V primerjavi z elektroni vrzeli povzročajo večji delež sprememb realnega in imaginarnega lomnega količnika, torej lahko povzročijo večjo fazno spremembo za dano spremembo izgub, zato vMach-Zehnderjevi modulatorjiin obročne modulatorje je običajno bolje uporabiti luknje za izdelavofazni modulatorji.

Različnisilicijev (Si) modulatorTipi so prikazani na sliki 10A. V modulatorju z vbrizgavanjem nosilcev se svetloba nahaja v intrinzičnem siliciju znotraj zelo širokega pin spoja, elektroni in vrzeli pa se vbrizgajo. Vendar so takšni modulatorji počasnejši, običajno s pasovno širino 500 MHz, ker se prosti elektroni in vrzeli po vbrizgavanju dlje časa rekombinirajo. Zato se ta struktura pogosto uporablja kot spremenljiv optični atenuator (VOA) in ne kot modulator. V modulatorju z izčrpavanjem nosilcev se svetlobni del nahaja v ozkem pn spoju, širino izčrpavanja pn spoja pa spreminja uporabljeno električno polje. Ta modulator lahko deluje s hitrostmi nad 50 Gb/s, vendar ima visoko vstavitveno izgubo v ozadju. Tipična vpil je 2 V-cm. Modulator kovinsko-oksidno-polprevodniški (MOS) (pravzaprav polprevodnik-oksid-polprevodnik) vsebuje tanko oksidno plast v pn spoju. Omogoča nekaj kopičenja nosilcev in izčrpavanja 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 robov pasov SiGe (silicijeva germanijeva zlitina). Poleg tega obstajajo modulatorji iz grafena, ki se za preklapljanje med absorpcijskimi kovinami in prozornimi izolatorji zanašajo na grafen. Ti dokazujejo raznolikost uporabe različnih mehanizmov za doseganje visokohitrostne optične modulacije signala z nizkimi izgubami.

Slika 10: (A) Diagram prečnega prereza različnih zasnov optičnih modulatorjev na osnovi silicija in (B) diagram prečnega 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 pin struktura danes. Sestavljena je iz silicija, dopiranega s P-tipom, na katerem raste Ge. Ge in Si imata 4-odstotno neusklajenost mreže, zato se za zmanjšanje dislokacije najprej vzgoji tanka plast SiGe kot vmesna plast. Dopiranje s N-tipom se izvede na vrhu plasti Ge. Na sredini je prikazana fotodioda kovina-polprevodnik-kovina (MSM), na sredini pa APD (plazovni fotodetektor) je prikazano na desni. Območje plazov v APD se nahaja v Si, ki ima nižje šumne značilnosti v primerjavi z območjem plazov v elementarnih materialih skupine III-V.

Trenutno ni rešitev z očitnimi prednostmi pri integraciji optičnega ojačanja s silicijevim fotonikom. Slika 11 prikazuje več možnih možnosti, razvrščenih po stopnjah sestavljanja. Na skrajni levi so monolitne integracije, ki vključujejo uporabo epitaksialno vzgojenega germanija (Ge) kot materiala za optično ojačanje, steklene valovodove, dopirane z erbijem (Er) (kot je Al2O3, ki zahteva optično črpanje), in epitaksialno vzgojene kvantne pike galijevega arzenida (GaAs). Naslednji stolpec je sestavljanje rezin na rezino, ki vključuje oksidne in organske vezi v območju ojačanja skupine III-V. Naslednji stolpec je sestavljanje čip na rezino, ki vključuje vgradnjo čipa skupine III-V v votlino silicijevega rezina in nato obdelavo strukture valovoda. Prednost tega pristopa s prvimi tremi stolpci je, da je mogoče napravo pred rezanjem v celoti funkcionalno preizkusiti znotraj rezine. Skrajni desni stolpec je sestavljanje čip na čip, vključno z neposrednim spajanjem silicijevih čipov na čipe skupine III-V, kot tudi spajanjem prek lečnih in rešetkastih spojnikov. Trend komercialnih aplikacij se premika z desne na levo stran grafikona proti bolj integriranim in celostnim rešitvam.

Slika 11: Kako je optični dobiček integriran v fotoniko na osnovi silicija. Ko se premikate od leve proti desni, se točka vstavljanja v proizvodnji postopoma premika nazaj v procesu.