Aktivni element silicijske fotonike

Aktivni element silicijske fotonike

Aktivne komponente fotonike se posebno odnose na namjerno dizajnirane dinamičke interakcije između svjetlosti i materije. Tipična aktivna komponenta fotonike je optički modulator. Sve trenutne komponente na bazi silicija...optički modulatorizasnivaju se na efektu slobodnih nosioca plazme. Promjena broja slobodnih elektrona i šupljina u silicijumskom materijalu dopiranjem, električnim ili optičkim metodama može promijeniti njegov kompleksni indeks prelamanja, proces prikazan u jednačinama (1,2) dobijenim prilagođavanjem podataka Sorefa i Bennetta na talasnoj dužini od 1550 nanometara. U poređenju sa elektronima, šupljine uzrokuju veći udio promjena realnog i imaginarnog indeksa prelamanja, odnosno mogu proizvesti veću faznu promjenu za datu promjenu gubitka, tako da uMach-Zehnderovi modulatorii prstenastih modulatora, obično se preferira korištenje rupa za izradufazni modulatori.

Različitisilicijumski (Si) modulatorTipovi su prikazani na slici 10A. U modulatoru sa injekcijom nosioca, svjetlost se nalazi u intrinzičnom silicijumu unutar vrlo širokog pin spoja, a elektroni i šupljine se injektiraju. Međutim, takvi modulatori su sporiji, obično sa propusnim opsegom od 500 MHz, jer slobodnim elektronima i šupljinama treba više vremena da se rekombinuju nakon injekcije. Stoga se ova struktura često koristi kao varijabilni optički atenuator (VOA), a ne kao modulator. U modulatoru sa osiromašenjem nosioca, dio svjetlosti se nalazi u uskom pn spoju, a širina osiromašenja pn spoja mijenja se primijenjenim električnim poljem. Ovaj modulator može raditi brzinama većim od 50 Gb/s, ali ima visoke pozadinske gubitke unošenja. Tipični vpil je 2 V-cm. Modulator metal-oksid-poluprovodnik (MOS) (zapravo poluprovodnik-oksid-poluprovodnik) sadrži tanki sloj oksida u pn spoju. Omogućava određenu akumulaciju nosioca, kao i osiromašenje nosioca, omogućavajući manji VπL od oko 0,2 V-cm, ali ima nedostatak većih optičkih gubitaka i većeg kapaciteta po jedinici dužine. Pored toga, postoje SiGe modulatori električne apsorpcije zasnovani na kretanju ruba SiGe (legura silicija i germanija). Pored toga, postoje i grafenski modulatori koji se oslanjaju na grafen za prebacivanje između apsorbirajućih metala i prozirnih izolatora. Ovo pokazuje raznolikost primjena različitih mehanizama za postizanje brze optičke modulacije signala s malim gubicima.

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

Na slici 10B prikazano je nekoliko detektora svjetlosti na bazi silicija. Apsorbirajući materijal je germanij (Ge). Ge je u stanju apsorbirati svjetlost na valnim duljinama do oko 1,6 mikrona. Na lijevoj strani prikazana je komercijalno najuspješnija pin struktura danas. Sastoji se od silicija dopiranog P-tipom na kojem raste Ge. Ge i Si imaju neusklađenost rešetke od 4%, a kako bi se minimizirala dislokacija, prvo se uzgaja tanki sloj SiGe kao tampon sloj. Dopiranje N-tipa se izvodi na vrhu Ge sloja. U sredini je prikazana fotodioda metal-poluprovodnik-metal (MSM), a u sredini APD (fotodetektor lavine) je prikazano s desne strane. Područje lavine u APD-u se nalazi u Si, koji ima niže karakteristike šuma u poređenju sa područjem lavine u elementarnim materijalima Grupe III-V.

Trenutno ne postoje rješenja s očiglednim prednostima u integraciji optičkog pojačanja sa silicijumskom fotonikom. Slika 11 prikazuje nekoliko mogućih opcija organiziranih po nivou montaže. Na krajnjoj lijevoj strani su monolitne integracije koje uključuju upotrebu epitaksijalno uzgojenog germanijuma (Ge) kao materijala za optičko pojačanje, staklene talasovode dopirane erbijem (Er) (kao što je Al2O3, koji zahtijeva optičko pumpanje) i epitaksijalno uzgojene kvantne tačke od galijum arsenida (GaAs). Sljedeća kolona je montaža pločice na pločicu, koja uključuje oksidno i organsko vezivanje u području pojačanja III-V grupe. Sljedeća kolona je montaža čipa na pločicu, koja uključuje ugrađivanje čipa III-V grupe u šupljinu silicijumske pločice, a zatim mašinsku obradu strukture talasovoda. Prednost ovog pristupa s prve tri kolone je u tome što se uređaj može u potpunosti funkcionalno testirati unutar pločice prije rezanja. Krajnja desna kolona je montaža čipa na čip, uključujući direktno spajanje silicijumskih čipova na čipove III-V grupe, kao i spajanje putem spojnica sočiva i rešetke. Trend prema komercijalnim primjenama pomiče se s desne na lijevu stranu grafikona prema integriranijim i integrisanijim rješenjima.

Slika 11: Kako je optičko pojačanje integrirano u fotoniku na bazi silicija. Kako se krećete s lijeva na desno, tačka umetanja u proizvodnji se postepeno pomiče unatrag tokom procesa.