Silisiumfotonikk aktivt element

Silisiumfotonikk aktivt element

Fotonikk aktive komponenter refererer spesifikt til med vilje designet dynamiske interaksjoner mellom lys og materie. En typisk aktiv komponent i fotonikk er en optisk modulator. Alle nåværende silisiumbaserteOptiske modulatorerer basert på plasmafri bærereffekt. Endring av antall gratis elektroner og hull i et silisiummateriale ved doping, kan elektriske eller optiske metoder endre den komplekse brytningsindeksen, en prosess vist i ligninger (1,2) oppnådd ved å montere data fra SOREF og Bennett med en bølgelengde på 1550 nanometre. Sammenlignet med elektroner, forårsaker hull en større andel av de virkelige 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 å foretrekke å bruke hull for å lagefasemodulatorer.

De forskjelligeSilisium (SI) modulatorTyper er vist i figur 10a. I en bærerinjeksjonsmodulator er lys plassert i iboende silisium i et veldig bredt pin -veikryss, og elektroner og hull blir injisert. Slike modulatorer er imidlertid tregere, vanligvis med en båndbredde på 500 MHz, fordi frie elektroner og hull tar lengre tid å rekombinere etter injeksjon. Derfor blir denne strukturen ofte brukt som en variabel optisk demper (VOA) i stedet for en modulator. I en bærer -uttømmingsmodulator er lysdelen plassert i et smalt PN -kryss, og uttømmingens bredde på PN -krysset endres med et påført elektrisk felt. Denne modulatoren kan fungere i hastigheter i overkant av 50 GB/s, men har et høyt tap av bakgrunnsinnsetting. Den typiske VPIL er 2 V-CM. En metalloksyd halvleder (MOS) (faktisk halvleder-oksyd-halvleder) -modulator inneholder et tynt oksydlag i et PN-veikryss. Det tillater noe transplantasjonsakkumulering så vel som utarming av transportør, noe som tillater en mindre Vπl på omtrent 0,2 V-CM, men har ulempen med høyere optiske tap og høyere kapasitans per enhetslengde. I tillegg er det SIGE elektriske absorpsjonsmodulatorer basert på SIGE (silisium germanium -legering) båndkantbevegelse. I tillegg er det grafenmodulatorer som er avhengige av grafen for å veksle mellom absorberende metaller og gjennomsiktige isolatorer. Disse demonstrerer mangfoldet av anvendelser av forskjellige mekanismer for å oppnå høyhastighets optisk signalmodulasjon med lite tap.

Figur 10: (a) Tverrsnittsdiagram over forskjellige silisiumbaserte optiske modulatorutforminger og (b) tverrsnittsdiagram over optiske detektorutforminger.

Flere silisiumbaserte lysdetektorer er vist i figur 10b. Det absorberende materialet er germanium (GE). GE er i stand til å absorbere lys med bølgelengder ned til omtrent 1,6 mikron. Vist til venstre er den mest kommersielt vellykkede PIN -strukturen i dag. Det er sammensatt av p-type dopet silisium som GE vokser på. GE og Si har en 4% gittermatch, og for å minimere dislokasjonen, dyrkes et tynt lag med SIGE først 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 (Avalanche fotodetektor) vises til høyre. Avalanche-regionen i APD er lokalisert i SI, som har lavere støyegenskaper sammenlignet med Avalanche-regionen i gruppe III-V elementære materialer.

For tiden er det ingen løsninger med åpenbare fordeler med å integrere optisk forsterkning med silisiumfotonikk. Figur 11 viser flere mulige alternativer organisert etter monteringsnivå. Lengst til venstre er monolitiske integrasjoner som inkluderer bruk av epitaksialt dyrket germanium (GE) som et optisk forsterkningsmateriale, erbium-dopede (ER) glassbølgeledere (for eksempel AL2O3, som krever optisk pumping) og epitaxialt dyrket galliumarsenid (GaAs) kvanteprikker. Den neste kolonnen er skive til wafer-montering, som involverer oksid og organisk binding i III-V-gruppegevinstregionen. Den neste kolonnen er chip-to-wafer-montering, som innebærer å legge inn III-V-gruppebrikken i hulrommet til silisiumskiven og deretter bearbeide bølgelederstrukturen. Fordelen med denne tre første kolonnetilnærmingen er at enheten kan være fullt funksjonell testet inne i skiven før du skjærer. Den høyre kolonnen er chip-to-chip-montering, inkludert direkte kobling av silisiumflis til III-V-gruppebrikker, samt kobling via linse og ristkoblinger. Trenden mot kommersielle applikasjoner går 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 mot høyre, beveger produksjonspunktet gradvis seg tilbake i prosessen.