Silisium fotonisk aktivt element

Silisium fotonisk aktivt element

Fotoniske aktive komponenter refererer spesifikt til bevisst utformede dynamiske interaksjoner mellom lys og materie. En typisk aktiv komponent i fotonikk er en optisk modulator. Alle nåværende silisiumbaserteoptiske modulatorerer basert på plasmafri bærereffekt. Å endre antall frie elektroner og hull i et silisiummateriale ved doping, elektriske eller optiske metoder kan endre dets komplekse brytningsindeks, en prosess vist i ligningene (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 lagefasemodulatorer.

De forskjelligesilisium (Si) modulatorTyper er vist i figur 10A. I en bærerinjeksjonsmodulator befinner lyset seg i det indre silisiumet i en veldig bred pinneovergang, og elektroner og hull injiseres. 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 brukes denne strukturen ofte som en variabel optisk demper (VOA) i stedet for en modulator. I en bæreruttømmingsmodulator befinner lysdelen seg i en smal pn-overgang, og uttømmingsbredden til pn-overgangen endres av et påført elektrisk felt. Denne modulatoren kan operere med hastigheter over 50 Gb/s, men har et høyt bakgrunnsinnsettingstap. Den typiske vpil er 2 V-cm. En metalloksidhalvleder (MOS) (egentlig halvleder-oksid-halvleder) modulator inneholder et tynt oksidlag i en pn-overgang. Det tillater noe akkumulering av bærer samt uttømming av bærer, noe som gir en mindre VπL på omtrent 0,2 V-cm, men har ulempen med høyere optiske tap og høyere kapasitans per lengdeenhet. I tillegg finnes det SiGe elektriske absorpsjonsmodulatorer basert på SiGe (silisium-germaniumlegering) båndkantbevegelse. I tillegg finnes det grafenmodulatorer som er avhengige av grafen for å veksle mellom absorberende metaller og transparente isolatorer. Disse demonstrerer mangfoldet av bruksområder for forskjellige mekanismer for å oppnå høyhastighets optisk signalmodulering med lavt tap.

Figur 10: (A) Tverrsnittsdiagram av ulike 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 er den mest kommersielt vellykkede pinnestrukturen i dag vist. Den er sammensatt av P-type dopet silisium som Ge vokser på. Ge og Si har en gitteravvik på 4 %, 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 (skredfotodetektor) er vist til høyre. Skredområdet i APD ligger i Si, som har lavere støyegenskaper sammenlignet med skredområdet i elementmaterialer i gruppe III-V.

For tiden finnes det ingen løsninger med åpenbare fordeler ved å integrere optisk forsterkning med silisiumfotonikk. Figur 11 viser flere mulige alternativer organisert etter monteringsnivå. Lengst til venstre er monolittiske integrasjoner som inkluderer bruk av epitaksialt dyrket germanium (Ge) som et optisk forsterkningsmateriale, erbiumdopede (Er) glassbølgeledere (som Al2O3, som krever optisk pumping), og epitaksialt dyrkede galliumarsenid (GaAs) kvanteprikker. Den neste kolonnen er wafer-til-wafer-montering, som involverer oksid- og organisk binding i III-V-gruppeforsterkningsområdet. Den neste kolonnen er chip-til-wafer-montering, som innebærer å legge inn III-V-gruppebrikken i hulrommet til silisiumskiven og deretter maskinere bølgelederstrukturen. Fordelen med denne første tre-kolonnetilnærmingen er at enheten kan funksjonstestes fullt ut inne i skiven før den skjæres. Den høyre kolonnen er chip-til-chip-montering, inkludert direkte kobling av silisiumbrikker til III-V-gruppebrikker, samt kobling via linse- og gitterkoblere. Trenden mot kommersielle applikasjoner beveger seg fra høyre til venstre side av diagrammet mot mer integrerte og helhetlige løsninger.

Figur 11: Hvordan optisk forsterkning integreres i silisiumbasert fotonikk. Når du beveger deg fra venstre til høyre, beveger produksjonsinnsettingspunktet seg gradvis bakover i prosessen.