Silikonski fotonički aktivni element

Silikonski fotonički aktivni element

Aktivne komponente fotonike odnose se posebno na namjerno dizajnirane dinamičke interakcije između svjetlosti i materije. Tipična aktivna komponenta fotonike je optički modulator. Sve trenutne na bazi silicijumaoptički modulatorizasnivaju se na efektu nosioca bez plazme. Promjena broja slobodnih elektrona i rupa u silicijumskom materijalu dopingom, električnim ili optičkim metodama može promijeniti njegov kompleksni indeks prelamanja, proces prikazan u jednadžbama (1,2) dobivenim uklapanjem podataka od Sorefa i Bennetta na talasnoj dužini od 1550 nanometara . U poređenju s elektronima, rupe uzrokuju veći udio stvarnih i imaginarnih promjena indeksa loma, odnosno mogu proizvesti veću promjenu faze za datu promjenu gubitka, tako da uMach-Zehnder modulatorii prstenasti modulatori, obično je poželjno koristiti rupe za izradufazni modulatori.

Različitesilicijumski (Si) modulatortipovi su prikazani na slici 10A. U modulatoru za ubrizgavanje nosača, svjetlost se nalazi u intrinzičnom silicijumu unutar vrlo širokog spoja iglica, a elektroni i rupe se ubrizgavaju. Međutim, takvi modulatori su sporiji, obično sa propusnim opsegom od 500 MHz, jer je slobodnim elektronima i rupama potrebno duže da se rekombinuju nakon ubrizgavanja. Stoga se ova struktura često koristi kao varijabilni optički atenuator (VOA), a ne kao modulator. U modulatoru osiromašenja nosioca, svjetlosni dio se nalazi u uskom pn spoju, a širina iscrpljivanja pn spoja se mijenja primijenjenim električnim poljem. Ovaj modulator može raditi pri brzinama većim od 50Gb/s, ali ima veliki gubitak pozadinskog umetanja. Tipični vpil je 2 V-cm. Modulator metal-oksidnih poluvodiča (MOS) (zapravo poluvodič-oksid-poluvodič) sadrži tanak oksidni sloj u pn spoju. Omogućava određenu akumulaciju nosioca, kao i iscrpljivanje nosioca, omogućavajući manji VπL od oko 0,2 V-cm, ali ima nedostatak većih optičkih gubitaka i većeg kapaciteta po jedinici dužine. Osim toga, postoje SiGe modulatori električne apsorpcije zasnovani na SiGe (legura silicijum germanijum) pomeranja ivice trake. Osim toga, postoje grafen modulatori koji se oslanjaju na grafen za prebacivanje između apsorbirajućih metala i prozirnih izolatora. Ovo pokazuje raznolikost primjena različitih mehanizama za postizanje velike brzine modulacije optičkog signala s malim gubicima.

Slika 10: (A) Dijagram poprečnog presjeka različitih dizajna optičkih modulatora na bazi silicijuma i (B) dijagram poprečnog presjeka dizajna optičkih detektora.

Nekoliko svetlosnih detektora na bazi silikona prikazano je na slici 10B. Upijajući materijal je germanijum (Ge). Ge je u stanju da apsorbuje svetlost na talasnim dužinama do oko 1,6 mikrona. Na lijevoj strani prikazana je komercijalno najuspješnija struktura igle danas. Sastoji se od dopiranog silicijuma P-tipa na kojem raste Ge. Ge i Si imaju neusklađenost rešetke od 4%, a da bi se dislokacija svela na minimum, tanak sloj SiGe se prvo uzgaja kao tampon sloj. Dopiranje N-tipa se vrši na vrhu Ge sloja. U sredini je prikazana fotodioda metal-poluprovodnik-metal (MSM), a APD (lavina fotodetektor) je prikazan na desnoj strani. Područje lavine u APD nalazi se u Si, koji ima niže karakteristike buke u odnosu na područje lavine u elementarnim materijalima grupe III-V.

Trenutno ne postoje rješenja sa očiglednim prednostima u integraciji optičkog pojačanja sa silicijumskom fotonikom. Slika 11 prikazuje nekoliko mogućih opcija organizovanih po nivou sklopa. Krajnje lijevo su monolitne integracije koje uključuju upotrebu epitaksijalno uzgojenog germanija (Ge) kao materijala za optičko pojačanje, staklenih valovoda dopiranih erbijem (Er) (kao što je Al2O3, koji zahtijeva optičko pumpanje) i epitaksijalno uzgojenog galij arsenida (GaAs ) kvantne tačke. Sljedeća kolona je montaža pločice na pločicu, koja uključuje oksidno i organsko povezivanje u području pojačanja III-V grupe. Sljedeća kolona je montaža čip-to-wafer, koja uključuje ugradnju čipa grupe III-V u šupljinu silikonske pločice i zatim mašinsku obradu strukture valovoda. Prednost ovog pristupa sa prve tri kolone je u tome što se uređaj može testirati u potpunosti u funkciji unutar pločice prije rezanja. Krajnja desna kolona je montaža čip-na-čip, uključujući direktno spajanje silicijumskih čipova na čipove III-V grupe, kao i spajanje preko sočiva i spojnica za rešetke. Trend ka komercijalnim aplikacijama kreće se s desne na lijevu stranu grafikona prema integriranijim i integriranim rješenjima.

Slika 11: Kako je optičko pojačanje integrisano u fotoniku baziranu na silicijumu. Kako se pomičete s lijeva na desno, proizvodna tačka umetanja se postepeno pomiče nazad u procesu.