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 middel van dotering, elektriese of optiese metodes kan die komplekse brekingsindeks daarvan verander, 'n proses wat in vergelykings (1,2) getoon word verkry deur data van Soref en Bennett by 'n golflengte van 1550 nanometer te pas. . In vergelyking met elektrone veroorsaak gate 'n groter deel van die reële en denkbeeldige brekingsindeksveranderinge, dit wil sê hulle kan 'n groter faseverandering vir 'n gegewe verliesverandering veroorsaak, dus inMach-Zehnder modulatorsen ringmodulators, word dit gewoonlik verkies om gate te gebruik om te maakfase modulators.

Die verskillendesilikon (Si) modulatortipes word in Figuur 10A getoon. In 'n draer-inspuitingsmodulator is lig geleë in intrinsieke silikon binne 'n baie wye penaansluiting, 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 gebruik as 'n veranderlike optiese verswakker (VOA) eerder as 'n modulator. In 'n draer-uitputtingsmodulator is die liggedeelte in 'n nou pn-aansluiting geleë, en die uitputtingswydte van die pn-aansluiting word verander deur 'n toegepaste elektriese veld. Hierdie modulator kan werk teen spoed van meer as 50Gb/s, maar het 'n hoë agtergrondinvoegingsverlies. 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 draerakkumulasie sowel as draeruitputting toe, wat 'n kleiner VπL van ongeveer 0,2 V-cm toelaat, maar het die nadeel van hoër optiese verliese en hoër kapasitansie per lengte-eenheid. Daarbenewens is daar SiGe elektriese absorpsie modulators gebaseer op SiGe (silikon Germanium legering) band rand beweging. Boonop is daar grafeenmoduleerders wat op grafeen staatmaak om tussen absorberende metale en deursigtige isolators te wissel. Dit demonstreer die diversiteit van toepassings van verskillende meganismes om hoëspoed, lae-verlies optiese seinmodulasie te bewerkstellig.

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

Verskeie silikon-gebaseerde ligdetektors word in Figuur 10B getoon. Die absorberende materiaal is germanium (Ge). Ge is in staat om lig op golflengtes tot ongeveer 1,6 mikron te absorbeer. Aan die linkerkant is die mees kommersieel suksesvolle penstruktuur vandag. Dit is saamgestel uit P-tipe gedoteerde silikon waarop Ge groei. Ge en Si het 'n rooster-wanverhouding van 4%, en om die ontwrigting te minimaliseer, word 'n dun laag SiGe eers as 'n bufferlaag gegroei. N-tipe doping word op die bokant van Ge-laag uitgevoer. 'n Metaal-halfgeleier-metaal (MSM) fotodiode word in die middel getoon, en 'n APD (stortvloed fotodetektor) word aan die regterkant gewys. Die stortvloedgebied in APD is geleë in Si, wat laer geraaskenmerke het in vergelyking met die stortvloedgebied in Groep III-V elementêre materiale.

Tans is daar geen oplossings met ooglopende voordele in die integrasie van optiese wins met silikonfotonika nie. Figuur 11 toon verskeie moontlike opsies wat volgens samestellingsvlak georganiseer is. Heel links is monolitiese integrasies wat die gebruik van epitaksiaal gekweekte germanium (Ge) as 'n optiese versterkingsmateriaal, erbium-gedoteerde (Er) glasgolfleiers (soos Al2O3, wat optiese pomp vereis) en epitaksiaal gekweekte galliumarsenied (GaAs) insluit ) kwantumkolletjies. Die volgende kolom is wafel-tot-wafel-samestelling, wat oksied- en organiese binding in die III-V-groepversterkingsgebied behels. Die volgende kolom is skyfie-tot-wafel-samestelling, wat behels dat die III-V-groepskyfie in die holte van die silikonwafel ingebed word en dan die golfleierstruktuur bewerk. Die voordeel van hierdie eerste driekolombenadering is dat die toestel ten volle funksioneel binne die wafer getoets kan word voordat dit gesny word. Die mees regterkolom is skyfie-tot-skyfie-samestelling, insluitend direkte koppeling van silikonskyfies aan III-V-groepskyfies, sowel as koppeling via lens- en roosterkoppelaars. Die neiging na kommersiële toepassings beweeg van die regterkant na die linkerkant van die grafiek na meer geïntegreerde en geïntegreerde oplossings.

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