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 obecnie dostępne na rynku komponenty oparte na krzemiemodulatory optyczneOpierają się na efekcie swobodnego nośnika plazmy. Zmiana liczby swobodnych elektronów i dziur w materiale krzemowym poprzez domieszkowanie, metody elektryczne lub optyczne może zmienić jego złożony współczynnik załamania światła, co przedstawiono w równaniach (1,2) uzyskanych przez dopasowanie danych 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 przy danej zmianie strat, więc wModulatory Macha-Zehnderai modulatorów pierścieniowych, zazwyczaj preferowane jest stosowanie otworów do tworzeniamodulatory fazy.
Różnemodulator krzemowy (Si)Typy przedstawiono na rysunku 10A. W modulatorze z wtryskiem nośnej światło znajduje się w krzemie wewnętrznym w bardzo szerokim złączu pinowym, a elektrony i dziury są wstrzykiwane. Takie modulatory są jednak wolniejsze, zazwyczaj z pasmem przenoszenia 500 MHz, ponieważ wolne elektrony i dziury potrzebują więcej czasu na rekombinację po wstrzyknięciu. Dlatego struktura ta jest często stosowana jako zmienny tłumik optyczny (VOA) zamiast modulatora. W modulatorze zubożonym nośnym część światła znajduje się w wąskim złączu pn, a szerokość zubożenia złącza pn jest zmieniana przez przyłożone pole elektryczne. Modulator ten może pracować z prędkościami przekraczającymi 50 Gb/s, ale charakteryzuje się wysokimi stratami wtrąceniowymi tła. Typowa wartość vpil wynosi 2 V·cm. Modulator typu metal-tlenek-półprzewodnik (MOS) (właściwie półprzewodnik-tlenek-półprzewodnik) zawiera cienką warstwę tlenku w złączu pn. Umożliwia on pewną akumulację, jak również zubożenie nośników, co pozwala na uzyskanie niższego VπL, wynoszącego około 0,2 V-cm, ale ma wadę w postaci 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). Istnieją również modulatory grafenowe, które wykorzystują grafen do przełączania się między metalami absorbującymi a przezroczystymi izolatorami. Pokazują one różnorodność zastosowań różnych mechanizmów w celu uzyskania szybkiej modulacji sygnału optycznego o niskich stratach.
Rysunek 10: (A) Schemat przekroju poprzecznego różnych konstrukcji modulatorów optycznych na bazie krzemu i (B) schemat przekroju poprzecznego konstrukcji detektorów optycznych.
Na rysunku 10B przedstawiono kilka detektorów światła na bazie krzemu. Materiałem absorbującym jest german (Ge). Ge jest w stanie absorbować światło o długości fali do około 1,6 mikrona. Po lewej stronie przedstawiono najbardziej udaną komercyjnie strukturę pinową. Składa się ona z krzemu domieszkowanego jonami typu P, na którym narasta jonami Ge. Ge i Si charakteryzują się 4% niedopasowaniem sieci krystalicznej i w celu zminimalizowania dyslokacji, najpierw nanoszona jest cienka warstwa SiGe jako warstwa buforowa. Na wierzchniej warstwie Ge przeprowadza się domieszkowanie jonami typu N. Fotodioda typu metal-półprzewodnik-metal (MSM) jest pokazana pośrodku, a APD (fotodetektor lawinowy) pokazano po prawej stronie. Obszar lawinowy w APD znajduje się w Si, który charakteryzuje się niższym poziomem szumów w porównaniu z obszarem lawinowym w materiałach pierwiastkowych grupy III-V.
Obecnie nie ma rozwiązań o oczywistych zaletach 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 zastosowanie epitaksjalnie hodowanego germanu (Ge) jako materiału wzmacniającego, światłowodów szklanych domieszkowanych erbem (Er) (takich jak Al2O3, które wymagają pompowania optycznego) oraz epitaksjalnie hodowanych kropek kwantowych z arsenku galu (GaAs). Następna kolumna przedstawia montaż wafel-wafel, obejmujący wiązania tlenkowe i organiczne w obszarze wzmocnienia grupy III-V. Kolejna kolumna przedstawia montaż chip-wafel, który obejmuje osadzenie chipa grupy III-V we wnęce 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 po prawej stronie przedstawia montaż chip-to-chip, w tym bezpośrednie sprzężenie układów scalonych z układami grupy III-V, a także sprzężenie 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 w fotonice krzemowej. Przesuwając się od lewej do prawej, punkt wstawienia w procesie produkcyjnym stopniowo się cofa.
Czas publikacji: 22 lipca 2024 r.