Silisiumfotonikk aktivt element

Silisiumfotonikk aktivt element

Fotoniske aktive komponenter refererer spesifikt til intensjonelt utformede dynamiske interaksjoner mellom lys og materie. En typisk aktiv komponent i fotonikk er en optisk modulator. Alle gjeldende silisiumbasertoptiske modulatorerer basert på den plasmafrie bærereffekten. Å endre antall frie elektroner og hull i et silisiummateriale ved hjelp av doping, elektriske eller optiske metoder kan endre dets komplekse brytningsindeks, en prosess vist i ligninger (1,2) oppnådd ved å tilpasse data fra Soref og Bennett ved en bølgelengde på 1550 nanometer . Sammenlignet med elektroner forårsaker hull en større andel av de reelle og imaginære brytningsindeksendringene, det vil si at de kan produsere en større faseendring for en gitt tapsendring, så iMach-Zehnder modulatorerog ringmodulatorer, er det vanligvis foretrukket å bruke hull for å lagefase modulatorer.

De ulikesilisium (Si) modulatortyper er vist i figur 10A. I en bærerinjeksjonsmodulator er lys lokalisert i indre silisium i et veldig bredt pinnekryss, og elektroner og hull injiseres. Imidlertid er slike modulatorer tregere, typisk med en båndbredde på 500 MHz, fordi frie elektroner og hull tar lengre tid å rekombinere etter injeksjon. Derfor brukes denne strukturen ofte som en variabel optisk attenuator (VOA) i stedet for en modulator. I en bærebølgeutarmingsmodulator er lysdelen plassert i et smalt pn-kryss, og utarmingsbredden til pn-overgangen endres av et påført elektrisk felt. Denne modulatoren kan operere med hastigheter over 50 Gb/s, men har et høyt tap av bakgrunnsinnsetting. Den typiske vpilen er 2 V-cm. En metalloksid-halvleder (MOS) (faktisk halvleder-oksid-halvleder) modulator inneholder et tynt oksidlag i et pn-kryss. Det tillater en viss bærerakkumulering så vel som bærerutarming, og tillater en mindre VπL på omtrent 0,2 V-cm, men har ulempen med høyere optiske tap og høyere kapasitans per lengdeenhet. I tillegg er det SiGe elektriske absorpsjonsmodulatorer basert på SiGe (silicon Germanium legering) båndkantbevegelse. I tillegg er det grafenmodulatorer som er avhengige av grafen for å bytte mellom absorberende metaller og transparente isolatorer. Disse demonstrerer mangfoldet av anvendelser av forskjellige mekanismer for å oppnå høyhastighets optisk signalmodulasjon med lavt tap.

Figur 10: (A) Tverrsnittsdiagram av forskjellige silisiumbaserte optiske modulatordesign og (B) tverrsnittsdiagram av optiske detektordesign.

Flere silisiumbaserte lysdetektorer er vist i figur 10B. Det absorberende materialet er germanium (Ge). Ge er i stand til å absorbere lys ved bølgelengder ned til omtrent 1,6 mikron. Til venstre vises den mest kommersielt vellykkede pinnestrukturen i dag. Den er sammensatt av dopet silisium av P-type som Ge vokser på. Ge og Si har 4 % gittermismatch, og for å minimere dislokasjonen dyrkes først et tynt lag med SiGe som et bufferlag. N-type doping utføres på toppen av Ge-laget. En metall-halvleder-metall (MSM) fotodiode er vist i midten, og en APD (snøskred fotodetektor) vises til høyre. Skredregionen i APD ligger i Si, som har lavere støyegenskaper sammenlignet med skredregionen i gruppe III-V elementære materialer.

For tiden er det ingen løsninger med åpenbare fordeler ved å integrere optisk forsterkning med silisiumfotonikk. Figur 11 viser flere mulige alternativer organisert etter monteringsnivå. Helt til venstre er monolittiske integrasjoner som inkluderer bruk av epitaksialt dyrket germanium (Ge) som et optisk forsterkningsmateriale, erbium-dopet (Er) glassbølgeledere (som Al2O3, som krever optisk pumping), og epitaksialt dyrket galliumarsenid (GaAs) ) kvanteprikker. Den neste kolonnen er wafer til wafer-montering, som involverer oksid og organisk binding i III-V gruppeforsterkningsregionen. Den neste kolonnen er brikke-til-wafer-montering, som innebærer å bygge III-V-gruppebrikken inn i hulrommet til silisiumplaten og deretter bearbeide bølgelederstrukturen. Fordelen med denne første tilnærmingen med tre kolonner er at enheten kan testes fullt ut i waferen før den kuttes. Kolonnen lengst til høyre er brikke-til-brikke-montering, inkludert direkte kobling av silisiumbrikker til III-V gruppebrikker, samt kopling via linse- og gitterkoblinger. Trenden mot kommersielle applikasjoner beveger seg fra høyre til venstre side av diagrammet mot mer integrerte og integrerte løsninger.

Figur 11: Hvordan optisk forsterkning er integrert i silisiumbasert fotonikk. Når du beveger deg fra venstre til høyre, flyttes produksjonsinnsettingspunktet gradvis tilbake i prosessen.