Szilícium fotonika aktív elem

Szilícium fotonika aktív elem

A fotonikus aktív komponensek kifejezetten a fény és az anyag szándékosan megtervezett dinamikus interakciójára utalnak. A fotonika egy tipikus aktív alkotóeleme egy optikai modulátor. Minden jelenlegi szilícium-alapúoptikai modulátoroka plazma szabad hordozóhatáson alapulnak. A szabad elektronok és lyukak számának megváltoztatása egy szilícium anyagban dopping, elektromos vagy optikai módszerek megváltoztatásával megváltoztathatja annak komplex törésmutatóját, amely az (1,2) egyenletekben bemutatott eljárás a SOREF és a Bennett adatai összegyűjtésével 1550 nanométer hullámhosszon. Az elektronokkal összehasonlítva a lyukak a valós és képzeletbeli törésmutató változásának nagyobb részét okozják, azaz nagyobb fázisváltozást eredményezhetnek egy adott veszteségváltozáshoz, tehátMach-zehnder modulátorokés a gyűrűs modulátorok, általában inkább a lyukakat használjákfázismodulátorok.

A különféleszilícium (SI) modulátorA típusokat a 10a. Ábra mutatja. A hordozó befecskendező modulátorban a fény egy nagyon széles tűs csomóponton belüli belső szilíciumban található, és az elektronokat és a lyukakat injektálják. Az ilyen modulátorok azonban lassabbak, általában 500 MHz sávszélességgel, mivel a szabad elektronok és lyukak hosszabb ideig tartanak az injekció utáni rekombinációhoz. Ezért ezt a szerkezetet gyakran változó optikai csillapítóként (VOA) használják, nem pedig modulátorként. A hordozó kimerülési modulátorban a könnyű rész keskeny PN csomópontban helyezkedik el, és a PN csomópont kimerülési szélességét egy alkalmazott elektromos mező változtatja meg. Ez a modulátor 50 GB/s -nál nagyobb sebességgel működhet, de magas háttér -beillesztési veszteséggel rendelkezik. A tipikus VPIL 2 V-cm. A fém-oxid félvezető (MOS) (valójában félvezető-oxid-escemoructor) modulátor vékony oxidréteget tartalmaz PN csomópontban. Lehetővé teszi a hordozó felhalmozódását és a hordozó kimerülését, lehetővé téve a kisebb VπL-t kb. 0,2 V-cm, de hátránya a magasabb optikai veszteségek és az egységhosszonkénti magasabb kapacitás. Ezen túlmenően vannak SIGE elektromos abszorpciós modulátorok, amelyek SIGE (szilícium -germánium ötvözet) sávszéli mozgáson alapulnak. Ezen túlmenően vannak olyan grafénmodulátorok, amelyek a grafénre támaszkodnak az abszorbeáló fémek és az átlátszó szigetelők közötti váltáshoz. Ezek bemutatják a különböző mechanizmusok alkalmazásainak sokféleségét a nagysebességű, alacsony veszteségű optikai jelmoduláció elérése érdekében.

10. ábra: (a) Különböző szilícium-alapú optikai modulátor tervek keresztmetszeti diagramja és (b) az optikai detektor minták keresztmetszeti diagramja.

Számos szilícium-alapú fénydetektor a 10b. Ábra szemlélteti. Az elnyelő anyag germánium (GE). A GE képes a hullámhosszon kb. 1,6 mikronig elnyelni a fényt. A bal oldalon látható ma a legkevésbé sikeres PIN -struktúra. P-típusú adalékolt szilíciumból áll, amelyen a GE növekszik. A GE és az SI 4% -os rácsos eltéréssel rendelkezik, és a diszlokáció minimalizálása érdekében egy vékony Sige réteg először pufferrétegként termesztik. Az N-típusú doppingot a GE réteg tetején végezzük. A közepén egy fém-escemortor-fém (MSM) fotodiode van látható, és APD (lavina fotodetektor) a jobb oldalon látható. Az APD-ben található lavina régió SI-ben található, amelynek alacsonyabb zajjellemzői vannak a III-V csoportban lévő lavina régióhoz képest.

Jelenleg nincs olyan megoldás, amelynek nyilvánvaló előnyei vannak az optikai nyereség és a szilícium -fotonika integrálásában. A 11. ábra számos lehetséges lehetőséget mutat be az összeszerelési szint szerint. A bal oldalon olyan monolit integrációk vannak, amelyek magukban foglalják az epitaxisan termesztett germánium (GE) optikai erősítő anyagként történő felhasználását, az erbium-adalékolt (ER) üveg hullámvezetőket (például az AL2O3-t, amely optikai szivattyúzást igényel) és az epitaxisan termesztett gallium-arzenid (GAAS) kvantum pontok. A következő oszlop az ostya összeállításának ostya, amely magában foglalja az oxidot és a szerves kötést a III-V csoportos nyereség régióban. A következő oszlop a chip-wafer szerelvény, amely magában foglalja a III-V csoport chip beágyazását a szilícium ostya üregébe, majd a hullámvezető szerkezetének megmunkálására. Ennek az első három oszlop megközelítésnek az az előnye, hogy az eszköz teljesen működőképes lehet a ostya belsejében, a vágás előtt. A jobb oldali oszlop a chip-chip összeszerelés, beleértve a szilícium chipek közvetlen összekapcsolását a III-V csoportos chipekhez, valamint a lencsével és a rácscsatlakozókkal. A kereskedelmi alkalmazások felé mutató tendencia a diagram jobb oldaláról az integráltabb és integráltabb megoldások felé halad.

11. ábra: Hogyan integrálják az optikai nyereség a szilícium alapú fotonikába. Ahogy balról jobbra mozog, a gyártási beillesztési pont fokozatosan visszatér a folyamatba.