Силиконска фотоника активен елемент

Силиконска фотоника активен елемент

Активните компоненти на Photonics се однесуваат конкретно на намерно дизајнирани динамички интеракции помеѓу светлината и материјата. Типична активна компонента на фотониката е оптички модулатор. Сите тековни базирани на силиконоптички модулаторисе засноваат на ефектот на носител без плазма. Промената на бројот на слободни електрони и дупки во силиконски материјал со допинг, електрични или оптички методи може да го промени неговиот комплексен индекс на рефракција, процес прикажан во равенките (1,2) добиени со вклопување на податоците од Сореф и Бенет на бранова должина од 1550 нанометри . Во споредба со електроните, дупките предизвикуваат поголем дел од промените на реалниот и имагинарниот индекс на рефракција, односно тие можат да произведат поголема фазна промена за дадена промена на загубата, така што воМодулатори на Mach-Zehnderи прстенести модулатори, обично се претпочита да се користат дупки за правењефазни модулатори.

Различнитесиликонски (Si) модулатортиповите се прикажани на слика 10А. Во модулаторот за вбризгување на носач, светлината се наоѓа во внатрешниот силициум во рамките на многу широк спој на пиновите, а електроните и дупките се инјектираат. Сепак, таквите модулатори се побавни, обично со пропусен опсег од 500 MHz, бидејќи на слободните електрони и дупки им е потребно подолго време за да се рекомбинираат по инјектирањето. Затоа, оваа структура често се користи како променлив оптички атенуатор (VOA) наместо како модулатор. Во модулаторот за исцрпување на носачот, светлосниот дел се наоѓа во тесен pn спој, а ширината на исцрпување на pn-спојот се менува со применето електрично поле. Овој модулатор може да работи со брзини поголеми од 50 Gb/s, но има голема загуба на вметнување во позадина. Типичниот vpil е 2 V-cm. Полупроводник од метал оксид (MOS) (всушност полупроводнички-оксид-полупроводнички) модулатор содржи тенок оксиден слој во pn спој. Овозможува одредена акумулација на носачот, како и исцрпување на носачот, овозможувајќи помал VπL од околу 0,2 V-cm, но има недостаток на поголеми оптички загуби и поголем капацитет по единица должина. Дополнително, постојат SiGe електрични модулатори на апсорпција базирани на движење на рабовите на лентата SiGe (легура на силициум Германиум). Покрај тоа, постојат графен модулатори кои се потпираат на графен за да се префрлаат помеѓу апсорпциони метали и проѕирни изолатори. Тие ја демонстрираат разновидноста на апликациите на различни механизми за да се постигне модулација на оптички сигнал со голема брзина и ниска загуба.

Слика 10: (А) Дијаграм на попречен пресек на различни дизајни на оптички модулатори базирани на силикон и (Б) дијаграм на попречен пресек на дизајни на оптички детектори.

Неколку детектори за светлина базирани на силикон се прикажани на Слика 10Б. Апсорбирачкиот материјал е германиум (Ge). Ge може да апсорбира светлина на бранови должини до околу 1,6 микрони. На левата страна е прикажана комерцијално најуспешната структура на пиновите денес. Составен е од допиран силикон од P-тип на кој расте Ge. Ge и Si имаат 4% несовпаѓање на решетката, а со цел да се минимизира дислокацијата, прво се одгледува тенок слој од SiGe како тампон слој. Допинг од N-тип се изведува на горниот дел од слојот Ge. Фотодиода метал-полупроводник-метал (MSM) е прикажана во средината, а APD (Фотодетектор за лавина) е прикажано на десната страна. Лавинскиот регион во АПД се наоѓа во Си, кој има пониски карактеристики на бучава во споредба со регионот на лавина во елементарните материјали од групата III-V.

Во моментов, нема решенија со очигледни предности во интегрирањето на оптичкото засилување со силициумската фотоника. Слика 11 прикажува неколку можни опции организирани по ниво на склопување. На крајната лева страна се монолитни интеграции кои вклучуваат употреба на епитаксиално одгледан германиум (Ge) како материјал за оптичка добивка, стаклени бранови водичи со допирање на ербиум (Er) (како Al2O3, за кој е потребно оптичко пумпање) и епитаксиално одгледан галиум арсенид (GaAs ) квантни точки. Следната колона е склопување од обланда до нафора, што вклучува оксид и органско поврзување во регионот на засилување на групата III-V. Следната колона е склопување од чип во нафора, што вклучува вградување на чипот од групата III-V во шуплината на силиконската обланда и потоа обработка на структурата на брановодот. Предноста на овој пристап од првите три колони е тоа што уредот може целосно да биде функционален тестиран во нафората пред да се сече. Најдесната колона е склопување од чип до чип, вклучувајќи директно спојување на силиконски чипови со чипови од групата III-V, како и спојување преку леќи и спојки за решетки. Трендот кон комерцијални апликации се движи од десната кон левата страна на табелата кон поинтегрирани и интегрирани решенија.

Слика 11: Како оптичкото засилување е интегрирано во фотониката базирана на силикон. Како што се движите од лево кон десно, точката за вметнување на производството постепено се враќа назад во процесот.