Silikonfotonika aktiewe element

Silikonfotonika aktiewe element

Fotonika -aktiewe komponente verwys spesifiek na opsetlik 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. Deur die aantal gratis elektrone en gate in 'n silikonmateriaal deur doping te verander, kan elektriese of optiese metodes die ingewikkelde brekingsindeks verander, 'n proses wat getoon word in vergelykings (1,2) wat verkry word deur data van SoreF en Bennett op 'n golflengte van 1550 nanometers te pas. In vergelyking met elektrone, veroorsaak gate 'n groter deel van die werklike en denkbeeldige brekingsindeksveranderings, dit wil sê dat hulle 'n groter faseverandering kan veroorsaak vir 'n gegewe verliesverandering, dus inMach-Zehnder Modulatorsen ringmodulators, word dit gewoonlik verkies om gate te gebruikFase -modulators.

Die verskillendesilikon (SI) modulatorTipes word in Figuur 10a getoon. In 'n draer -inspuitmodulator is lig in intrinsieke silikon binne 'n baie breë penverbinding geleë, en elektrone en gate word ingespuit. Sulke modulators is egter stadiger, gewoonlik met 'n bandwydte van 500 MHz, omdat gratis elektrone en gate langer neem om na die inspuiting weer te kom. Daarom word hierdie struktuur dikwels gebruik as 'n veranderlike optiese verswakker (VOA) eerder as 'n modulator. In 'n draer -uitputtingmodulator is die ligte gedeelte in 'n smal PN -aansluiting geleë, en die uitputtingswydte van die PN -aansluiting word verander deur 'n toegepaste elektriese veld. Hierdie modulator kan met 'n snelheid van meer as 50 GB/s werk, maar het 'n hoë invoegingsverlies met die agtergrond. 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-opeenhoping sowel as die uitputting van draers toe, waardeur 'n kleiner Vπl van ongeveer 0,2 V-Cm moontlik is, maar die nadeel van hoër optiese verliese en hoër kapasitansie per lengte van die eenheid het. Daarbenewens is daar SIGE elektriese absorpsiemodulators gebaseer op SIGE (Silicon Germanium Alloy) bandrandbeweging. Daarbenewens is daar grafeenmodulators wat op grafeen staatmaak om te skakel tussen absorberende metale en deursigtige isolators. Dit demonstreer die diversiteit van toepassings van verskillende meganismes om hoë-snelheid, lae-verlies optiese seinmodulasie te bewerkstellig.

Figuur 10: (a) Dwarssnitdiagram van verskillende silikon-gebaseerde optiese modulatorontwerpe en (b) dwarssnitdiagram van optiese detektorontwerpe.

Verskeie silikon-gebaseerde ligdetektore word in Figuur 10b getoon. Die absorberende materiaal is Germanium (GE). GE is in staat om lig op golflengtes tot ongeveer 1,6 mikron op te neem. Aan die linkerkant is die mees kommersieel suksesvolle PIN -struktuur vandag. Dit bestaan ​​uit P-tipe gedoteerde silikon waarop GE groei. GE en SI het 'n 4% -rooster -wanverhouding, en om die ontwrigting te verminder, word 'n dun laag SIGE eers as 'n bufferlaag gekweek. N-tipe doping word aan die bokant van die GE-laag uitgevoer. 'N Metaal-halfgeleier-metaal (MSM) fotodiode word in die middel getoon, en 'n APD (Avalanche -fotodetektor) word aan die regterkant getoon. Die Avalanche-streek in APD is in SI geleë, wat laer geraaskenmerke het in vergelyking met die Avalanche-streek in Groep III-V-elementêre materiale.

Daar is tans geen oplossings met ooglopende voordele in die integrasie van optiese wins met silikonfotonika nie. Figuur 11 toon verskeie moontlike opsies wat volgens monteervlak gereël is. Aan die linkerkant is monolitiese integrasies wat die gebruik van epitaksiaal gekweekte germanium (GE) insluit as 'n optiese winsmateriaal, erbium-gedoteerde (ER) glasgolfgeleides (soos Al2O3, wat optiese pomp benodig), en epitaksiaal gekweekte gallium arsenied (GAAS) kwantumpunte. Die volgende kolom is op die wafer-samestelling, wat oksied en organiese binding in die III-V-groepwinsgebied behels. Die volgende kolom is skyfie-tot-wafer-samestelling, wat behels dat die III-V-groepskyfie in die holte van die silikonplaat insluit en dan die golfleierstruktuur bewerk. Die voordeel van hierdie eerste drie kolombenadering is dat die toestel ten volle funksioneel in die wafel getoets kan word voordat dit gesny word. Die regterkantste kolom is chip-tot-chip-samestelling, insluitend direkte koppeling van silikonskyfies aan III-V-groepskyfies, sowel as koppeling via lens en traliewerkers. Die neiging na kommersiële toepassings beweeg van regs na die linkerkant van die kaart na meer geïntegreerde en geïntegreerde oplossings.

Figuur 11: Hoe optiese wins in silikon-gebaseerde fotonika geïntegreer word. As u van links na regs beweeg, beweeg die vervaardigingspunt geleidelik terug in die proses.