Silikon fotonika aktiewe element

Silikon fotonika aktiewe element

Fotonika-aktiewe komponente verwys spesifiek na doelbewus ontwerpte dinamiese interaksies tussen lig en materie. 'n Tipiese aktiewe komponent van fotonika is 'n optiese modulator. Alle huidige silikon-gebaseerdeoptiese modulatorsis gebaseer op die plasma-vrye draer-effek. Die verandering van die aantal vrye elektrone en gate in 'n silikonmateriaal deur dotering, elektriese of optiese metodes kan die komplekse brekingsindeks daarvan verander, 'n proses wat getoon word in vergelykings (1,2) wat verkry is deur data van Soref en Bennett by 'n golflengte van 1550 nanometer te pas. In vergelyking met elektrone veroorsaak gate 'n groter proporsie van die werklike en imaginêre brekingsindeksveranderinge, dit wil sê, hulle kan 'n groter faseverandering vir 'n gegewe verliesverandering produseer, so inMach-Zehnder-modulatorsen ringmodulators, word dit gewoonlik verkies om gate te gebruik om te maakfasemodulators.

Die verskeiesilikon (Si) modulatortipes word in Figuur 10A getoon. In 'n draer-inspuitmodulator is lig in intrinsieke silikon binne 'n baie wye penaansluiting geleë, en elektrone en gate word ingespuit. Sulke modulators is egter stadiger, tipies met 'n bandwydte van 500 MHz, omdat vrye elektrone en gate langer neem om na inspuiting te herkombineer. Daarom word hierdie struktuur dikwels as 'n veranderlike optiese verswakker (VOA) eerder as 'n modulator gebruik. In 'n draer-uitputtingmodulator is die liggedeelte in 'n nou pn-aansluiting geleë, en die uitputtingwydte van die pn-aansluiting word verander deur 'n toegepaste elektriese veld. Hierdie modulator kan teen snelhede van meer as 50 Gb/s werk, maar het 'n hoë agtergrond-invoegverlies. Die tipiese vpil is 2 V-cm. 'n Metaaloksied-halfgeleier (MOS) (eintlik halfgeleier-oksied-halfgeleier) modulator bevat 'n dun oksiedlaag in 'n pn-aansluiting. Dit laat 'n mate van draer-akkumulasie sowel as draer-uitputting toe, wat 'n kleiner VπL van ongeveer 0.2 V-cm toelaat, maar het die nadeel van hoër optiese verliese en hoër kapasitansie per eenheidslengte. Daarbenewens is daar SiGe elektriese absorpsiemodulators gebaseer op SiGe (silikon Germanium-legering) bandrandbeweging. Daarbenewens is daar grafeenmodulators wat op grafeen staatmaak om oor te skakel tussen absorberende metale en deursigtige isolators. Hierdie demonstreer die diversiteit van toepassings van verskillende meganismes om hoëspoed, lae-verlies optiese seinmodulasie te bereik.

Figuur 10: (A) Dwarssnitdiagram van verskeie silikon-gebaseerde optiese modulatorontwerpe en (B) dwarssnitdiagram van optiese detektorontwerpe.

Verskeie silikon-gebaseerde ligdetektors word in Figuur 10B getoon. Die absorberende materiaal is germanium (Ge). Ge kan lig absorbeer teen golflengtes tot ongeveer 1.6 mikron. Links word die kommersieel suksesvolste penstruktuur vandag getoon. Dit bestaan ​​uit P-tipe gedoteerde silikon waarop Ge groei. Ge en Si het 'n roosterwanpassing van 4%, en om die ontwrigting te minimaliseer, word 'n dun lagie SiGe eers as 'n bufferlaag gekweek. N-tipe dotering word bo-op die Ge-laag uitgevoer. 'n Metaal-halfgeleier-metaal (MSM) fotodiode word in die middel getoon, en 'n APD (sneeustorting Fotodetektor) word regs getoon. Die sneeustortinggebied in APD is in Si geleë, wat laer geraaskeienskappe het in vergelyking met die sneeustortinggebied in Groep III-V elementêre materiale.

Tans is daar geen oplossings met ooglopende voordele in die integrasie van optiese versterking met silikonfotonika nie. Figuur 11 toon verskeie moontlike opsies wat volgens samestellingsvlak georganiseer is. Heel links is monolitiese integrasies wat die gebruik van epitaksiaal gegroeide germanium (Ge) as 'n optiese versterkingsmateriaal, erbium-gedoteerde (Er) glasgolfgidse (soos Al2O3, wat optiese pomping vereis), en epitaksiaal gegroeide galliumarsenied (GaAs) kwantumkolle insluit. Die volgende kolom is wafer-tot-wafer-samestelling, wat oksied- en organiese binding in die III-V-groepversterkingsgebied behels. Die volgende kolom is skyfie-tot-wafer-samestelling, wat die inbedding van die III-V-groepskyfie in die holte van die silikonwafer en dan die masjinering van die golfgidsstruktuur behels. Die voordeel van hierdie eerste drie-kolombenadering is dat die toestel ten volle funksioneel binne die wafer getoets kan word voor dit gesny word. Die heel regterkantste kolom is skyfie-tot-skyfie-samestelling, insluitend direkte koppeling van silikonskyfies aan III-V-groepskyfies, sowel as koppeling via lens- en roosterkoppelaars. Die neiging tot kommersiële toepassings beweeg van die regterkant na die linkerkant van die grafiek na meer geïntegreerde en geïntegreerde oplossings.

Figuur 11: Hoe optiese versterking in silikon-gebaseerde fotonika geïntegreer word. Soos jy van links na regs beweeg, beweeg die vervaardigingsinvoegpunt geleidelik terug in die proses.