Aktywny element fotoniki krzemowej
Aktywne komponenty fotoniki odnoszą się konkretnie do celowo zaprojektowanych dynamicznych oddziaływań między światłem a materią. Typowym aktywnym komponentem fotoniki jest modulator optyczny. Wszystkie obecne krzemowemodulatory optyczneopierają się na efekcie swobodnego nośnika plazmy. Zmiana liczby wolnych elektronów i dziur w materiale krzemowym poprzez domieszkowanie, metody elektryczne lub optyczne może zmienić jego złożony współczynnik załamania światła, proces pokazany w równaniach (1,2) uzyskanych przez dopasowanie danych od Sorefa i Bennetta przy długości fali 1550 nanometrów. W porównaniu z elektronami dziury powodują większą część rzeczywistych i urojonych zmian współczynnika załamania światła, to znaczy, że mogą one powodować większą zmianę fazy dla danej zmiany strat, więc wModulatory Mach-Zehnderai modulatorów pierścieniowych, zazwyczaj preferowane jest stosowanie otworów w celu wykonaniamodulatory fazowe.
Różnemodulator krzemowy (Si)typy pokazano na rysunku 10A. W modulatorze wtrysku nośnika światło znajduje się w wewnętrznym krzemie w bardzo szerokim złączu pinowym, a elektrony i dziury są wstrzykiwane. Jednak takie modulatory są wolniejsze, zwykle o szerokości pasma 500 MHz, ponieważ wolne elektrony i dziury potrzebują więcej czasu, aby się rekombinować po wstrzyknięciu. Dlatego ta struktura jest często używana jako zmienny tłumik optyczny (VOA), a nie modulator. W modulatorze zubożenia nośnika część światła znajduje się w wąskim złączu pn, a szerokość zubożenia złącza pn jest zmieniana przez przyłożone pole elektryczne. Ten modulator może działać z prędkościami przekraczającymi 50 Gb/s, ale ma wysoką stratę wstawiania tła. Typowa wartość vpil wynosi 2 V-cm. Modulator metal-tlenek-półprzewodnik (MOS) (właściwie półprzewodnik-tlenek-półprzewodnik) zawiera cienką warstwę tlenku w złączu pn. Umożliwia pewną akumulację nośników, jak również ich zubożenie, umożliwiając mniejsze VπL około 0,2 V-cm, ale ma wadę wyższych strat optycznych i wyższej pojemności na jednostkę długości. Ponadto istnieją modulatory absorpcji elektrycznej SiGe oparte na ruchu krawędzi pasma SiGe (stop krzemu i germanu). Ponadto istnieją modulatory grafenu, które polegają na grafenie, aby przełączać się między metalami absorbującymi a przezroczystymi izolatorami. Demonstrują one różnorodność zastosowań różnych mechanizmów w celu uzyskania szybkiej, niskostratnej modulacji sygnału optycznego.
Rysunek 10: (A) Schemat przekroju poprzecznego różnych konstrukcji modulatorów optycznych na bazie krzemu i (B) schemat przekroju poprzecznego konstrukcji detektorów optycznych.
Na rysunku 10B pokazano kilka detektorów światła na bazie krzemu. Materiałem absorbującym jest german (Ge). Ge jest w stanie absorbować światło o długościach fal do około 1,6 mikrona. Po lewej stronie pokazano najbardziej udaną komercyjnie strukturę pinów. Składa się ona z domieszkowanego krzemu typu P, na którym rośnie Ge. Ge i Si mają 4% niezgodności sieci, a w celu zminimalizowania dyslokacji najpierw hodowana jest cienka warstwa SiGe jako warstwa buforowa. Domieszkowanie typu N przeprowadza się na wierzchu warstwy Ge. Fotodioda metal-półprzewodnik-metal (MSM) jest pokazana na środku, a APD (Fotodetektor lawinowy) pokazano po prawej stronie. Obszar lawinowy w APD znajduje się w Si, który ma niższe charakterystyki szumu w porównaniu do obszaru lawinowego w materiałach pierwiastkowych grupy III-V.
Obecnie nie ma rozwiązań z oczywistymi zaletami w integracji wzmocnienia optycznego z fotoniką krzemową. Rysunek 11 przedstawia kilka możliwych opcji uporządkowanych według poziomu montażu. Po lewej stronie znajdują się monolityczne integracje, które obejmują użycie epitaksjalnie wyhodowanego germanu (Ge) jako materiału wzmocnienia optycznego, szklanych falowodów domieszkowanych erbem (Er) (takich jak Al2O3, które wymagają pompowania optycznego) i epitaksjalnie wyhodowanych kropek kwantowych z arsenku galu (GaAs). Następna kolumna to montaż wafla do wafla, obejmujący wiązanie tlenkowe i organiczne w obszarze wzmocnienia grupy III-V. Następna kolumna to montaż chip-to-wafer, który obejmuje osadzanie chipu grupy III-V w komorze wafla krzemowego, a następnie obróbkę mechaniczną struktury falowodu. Zaletą tego pierwszego podejścia z trzema kolumnami jest to, że urządzenie można w pełni przetestować funkcjonalnie wewnątrz wafla przed cięciem. Kolumna najbardziej na prawo to montaż chip-to-chip, w tym bezpośrednie sprzęganie chipów krzemowych z chipami grupy III-V, a także sprzęganie za pomocą soczewek i sprzęgaczy kratowych. Trend w kierunku zastosowań komercyjnych przesuwa się z prawej do lewej strony wykresu w kierunku bardziej zintegrowanych i zintegrowanych rozwiązań.
Rysunek 11: Jak wzmocnienie optyczne jest integrowane z fotoniką opartą na krzemie. W miarę przesuwania się od lewej do prawej punkt wstawiania produkcyjnego stopniowo przesuwa się w procesie.
Czas publikacji: 22-07-2024