Aktywny element fotoniki krzemowej
Aktywne komponenty fotoniki odnoszą się w szczególności do celowo zaprojektowanych dynamicznych interakcji między światłem a materią. Typowym aktywnym składnikiem fotoniki jest modulator optyczny. Wszystkie obecne na bazie krzemumodulatory optyczneopierają się na efekcie wolnego nośnika osocza. Zmiana liczby wolnych elektronów i dziur w materiale krzemowym za pomocą domieszkowania, metod elektrycznych lub optycznych może zmienić jego złożony współczynnik załamania światła, proces pokazany w równaniach (1,2) uzyskanych przez dopasowanie danych Sorefa i Bennetta do długości fali 1550 nanometrów . W porównaniu z elektronami, dziury powodują większą część rzeczywistych i urojonych zmian współczynnika załamania światła, to znaczy mogą powodować większą zmianę fazową przy danej zmianie strat, więc wModulatory Macha-Zehnderai modulatory pierścieniowe, zwykle preferuje się wykonanie otworówmodulatory fazy.
Różnemodulator krzemowy (Si).typy pokazano na rysunku 10A. W modulatorze wtrysku nośnika światło jest umieszczane we wewnętrznym krzemie w bardzo szerokim złączu pinowym, do którego wstrzykiwane są elektrony i dziury. Jednakże takie modulatory są wolniejsze, zwykle mają szerokość pasma 500 MHz, ponieważ rekombinacja wolnych elektronów i dziur po wstrzyknięciu zajmuje więcej czasu. Dlatego ta struktura jest często używana jako zmienny tłumik optyczny (VOA), a nie modulator. W modulatorze zubożenia nośnej część światła znajduje się w wąskim złączu pn, a szerokość zubożenia złącza pn zmienia się pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Modulator ten może pracować z szybkościami przekraczającymi 50 Gb/s, ale charakteryzuje się dużą tłumiennością tła. Typowy vpil wynosi 2 V-cm. Modulator półprzewodnika z tlenkiem metalu (MOS) (właściwie półprzewodnik-tlenek-półprzewodnik) zawiera cienką warstwę tlenku na złączu pn. Umożliwia to pewną akumulację nośnika, jak również jego wyczerpanie, umożliwiając mniejsze VπL wynoszące około 0,2 V-cm, ale ma tę wadę, że powoduje większe straty optyczne i wyższą pojemność na jednostkę długości. Ponadto istnieją modulatory absorpcji elektrycznej SiGe oparte na ruchu krawędzi pasma SiGe (stop krzemowo-germanowy). Ponadto istnieją modulatory grafenu, które wykorzystują grafen do przełączania między metalami absorbującymi a przezroczystymi izolatorami. Pokazują one różnorodność zastosowań różnych mechanizmów w celu uzyskania szybkiej i niskostratnej modulacji sygnału optycznego.
Rysunek 10: (A) Schemat przekroju poprzecznego różnych konstrukcji modulatora optycznego na bazie krzemu i (B) schemat przekroju poprzecznego konstrukcji detektora optycznego.
Na rysunku 10B pokazano kilka krzemowych detektorów światła. Materiałem pochłaniającym jest german (Ge). Ge jest w stanie absorbować światło o długości fali do około 1,6 mikrona. Po lewej stronie pokazano konstrukcję pinów, która odniosła obecnie największy sukces komercyjny. Składa się z krzemu domieszkowanego typu P, na którym rośnie Ge. Ge i Si mają 4% niedopasowanie sieci i aby zminimalizować dyslokację, najpierw hoduje się cienką warstwę SiGe jako warstwę buforową. Na wierzchu warstwy Ge przeprowadza się domieszkowanie typu N. Fotodioda metal-półprzewodnik-metal (MSM) jest pokazana pośrodku i APD (fotodetektor lawinowy) pokazano po prawej stronie. Obszar lawinowy w APD znajduje się w Si, który ma niższą charakterystykę hałasu w porównaniu z obszarem lawinowym w materiałach elementarnych grupy III-V.
Obecnie nie ma rozwiązań o oczywistych zaletach integracji wzmocnienia optycznego z fotoniką krzemową. Rysunek 11 przedstawia kilka możliwych opcji uporządkowanych według poziomu zespołu. Skrajnie po lewej stronie znajdują się monolityczne integracje, które obejmują wykorzystanie epitaksjalnie rosnącego germanu (Ge) jako materiału wzmocnienia optycznego, szklanych falowodów domieszkowanych erbem (Er) (takich jak Al2O3, który wymaga pompowania optycznego) oraz epitaksjalnie hodowanego arsenku galu (GaAs) ) kropki kwantowe. Następna kolumna dotyczy montażu płytek z płytkami, obejmującego wiązania tlenkowe i organiczne w obszarze wzmocnienia grupy III-V. Kolejną kolumną jest montaż chip-to-wafer, który polega na osadzeniu chipa grupy III-V we wnęce płytki krzemowej, a następnie obróbce mechanicznej struktury falowodu. Zaletą tego podejścia opartego na pierwszych trzech kolumnach jest to, że przed cięciem urządzenie można w pełni przetestować wewnątrz płytki. Kolumna znajdująca się najbardziej na prawo to montaż chip-chip, obejmujący bezpośrednie łączenie chipów krzemowych z chipami grupy III-V, a także łączenie za pomocą łączników soczewek i siatek. Trend w kierunku zastosowań komercyjnych przesuwa się z prawej strony wykresu na lewą stronę w stronę bardziej zintegrowanych i zintegrowanych rozwiązań.
Rysunek 11: Jak wzmocnienie optyczne jest zintegrowane z fotoniką krzemową. W miarę przesuwania się od lewej do prawej, produkcyjny punkt wstawiania stopniowo cofa się w procesie.
Czas publikacji: 22 lipca 2024 r