Силиконски фотонски активен елемент

Силиконски фотонски активен елемент

Активните компоненти на фотониката се однесуваат конкретно на намерно дизајнирани динамички интеракции помеѓу светлината и материјата. Типична активна компонента на фотониката е оптички модулатор. Сите тековни силиконски базираниоптички модулаторисе базираат на ефектот на слободниот плазматски носач. Промената на бројот на слободни електрони и дупки во силициумски материјал со допинг, електрични или оптички методи може да го промени неговиот комплексен индекс на прекршување, процес прикажан во равенките (1,2) добиен со вклопување на податоци 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 прекршување, односно можат да произведат поголема фазна промена за дадена промена на загубата, па воМах-Цендерови модулатории прстенести модулатори, обично се претпочита да се користат дупки за да се направатфазни модулатори.

Различнитесиликонски (Si) модулаторТиповите се прикажани на Слика 10А. Во модулатор за вбризгување на носачи, светлината се наоѓа во внатрешен силициум во многу широк спој на пин, а електроните и дупките се вбризгуваат. Сепак, ваквите модулатори се побавни, обично со пропусен опсег од 500 MHz, бидејќи на слободните електрони и дупките им треба подолго време за повторно да се комбинираат по инјектирањето. Затоа, оваа структура често се користи како променлив оптички атенуатор (VOA) наместо модулатор. Во модулатор за осиромашување на носачот, светлинскиот дел се наоѓа во тесна pn спојка, а ширината на осиромашување на pn спојката се менува од 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. Модулатор од метален оксиден полупроводник (MOS) (всушност полупроводник-оксид-полупроводник) содржи тенок слој оксид во pn спојката. Тој овозможува одредена акумулација на носачи, како и осиромашување на носачите, дозволувајќи помал VπL од околу 0,2 V-cm, но има недостаток на поголеми оптички загуби и поголема капацитивност по единица должина. Покрај тоа, постојат SiGe модулатори за електрична апсорпција базирани на движење на работ на лентата од SiGe (легура на силициум-германиум). Покрај тоа, постојат графенски модулатори кои се потпираат на графен за префрлање помеѓу апсорбирачки метали и транспарентни изолатори. Тие ја демонстрираат разновидноста на примени на различни механизми за постигнување на високобрзинска модулација на оптички сигнал со ниски загуби.

Слика 10: (A) Дијаграм на пресек на различни дизајни на оптички модулатори базирани на силициум и (B) дијаграм на пресек на дизајни на оптички детектори.

На Слика 10Б се прикажани неколку детектори на светлина базирани на силициум. Апсорпцискиот материјал е германиум (Ge). Ge е способен да апсорбира светлина на бранови должини до околу 1,6 микрони. Лево е прикажана најкомерцијално успешната структура на пин денес. Таа е составена од P-тип допиран силициум на кој расте Ge. Ge и Si имаат 4% несовпаѓање на решетката, и за да се минимизира дислокацијата, прво се одгледува тенок слој од SiGe како тампон слој. N-тип допир се врши на врвот на Ge слојот. Во средината е прикажана метал-полупроводник-метал (MSM) фотодиода, а APD (лавински фотодетектор) е прикажано од десно. Регионот на лавина во APD се наоѓа во Si, кој има пониски карактеристики на шум во споредба со регионот на лавина во елементарните материјали од група 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 наоѓаат монолитни интеграции кои вклучуваат употреба на епитаксијално одгледан германиум (Ge) како материјал за оптичко засилување, стаклени бранови водилки допирани со ербиум (Er) (како што е Al2O3, кој бара оптичко пумпање) и епитаксијално одгледан галиум арсенид (GaAs) квантни точки. Следната колона е склопување на плочка со плочка, кое вклучува оксидно и органско поврзување во регионот на засилување на групата III-V. Следната колона е склопување од чип до плочка, кое вклучува вградување на III-V групниот чип во шуплината на силициумската плочка, а потоа и обработка на структурата на брановодот. Предноста на овој пристап со првите три колони е што уредот може да биде целосно функционален тестиран во внатрешноста на плочката пред сечење. Најдесната колона е склопување од чип до чип, вклучувајќи директно спојување на силициумски чипови со III-V групни чипови, како и спојување преку леќи и решетки за спојување. Трендот кон комерцијални апликации се движи од десната кон левата страна на графиконот кон сè поинтегрирани решенија.

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