Elemen aktif fotonik silikon

Elemen aktif fotonik silikon

Komponen aktif Photonics merujuk secara khusus kepada interaksi dinamik yang direka dengan sengaja antara cahaya dan perkara. Komponen aktif fotonik yang biasa adalah modulator optik. Semua berasaskan silikon semasamodulator optikdidasarkan pada kesan pembawa percuma plasma. Mengubah bilangan elektron dan lubang bebas dalam bahan silikon dengan doping, kaedah elektrik atau optik boleh mengubah indeks biasan kompleksnya, proses yang ditunjukkan dalam persamaan (1,2) yang diperolehi dengan memasang data dari SOREF dan Bennett pada panjang gelombang 1550 nanometer. Berbanding dengan elektron, lubang menyebabkan perubahan indeks refraktif sebenar dan khayalan, iaitu, mereka boleh menghasilkan perubahan fasa yang lebih besar untuk perubahan kerugian yang diberikan, jadiModulator Mach-Zehnderdan modulator cincin, biasanya lebih suka menggunakan lubang untuk membuatmodulator fasa.

Pelbagaimodulator silikon (SI)Jenis ditunjukkan dalam Rajah 10a. Dalam modulator suntikan pembawa, cahaya terletak di silikon intrinsik dalam persimpangan pin yang sangat luas, dan elektron dan lubang disuntik. Walau bagaimanapun, modulator sedemikian lebih perlahan, biasanya dengan jalur lebar 500 MHz, kerana elektron dan lubang percuma mengambil masa lebih lama untuk rekombin selepas suntikan. Oleh itu, struktur ini sering digunakan sebagai attenuator optik yang berubah -ubah (VOA) dan bukannya modulator. Dalam modulator pengurangan pembawa, bahagian cahaya terletak di persimpangan PN yang sempit, dan lebar kekurangan persimpangan PN diubah oleh medan elektrik yang digunakan. Modulator ini boleh beroperasi pada kelajuan melebihi 50GB/s, tetapi mempunyai kehilangan penyisipan latar belakang yang tinggi. VPIL biasa ialah 2 V-CM. Modulator semikonduktor oksida logam (sebenarnya semikonduktor-oksida semikonduktor) mengandungi lapisan oksida nipis dalam persimpangan PN. Ia membolehkan beberapa pengumpulan pembawa serta pengurangan pembawa, yang membolehkan VπL yang lebih kecil kira-kira 0.2 V-CM, tetapi mempunyai kelemahan kerugian optik yang lebih tinggi dan kapasitansi yang lebih tinggi per unit panjang. Di samping itu, terdapat modulator penyerapan elektrik SIGE berdasarkan gerakan tepi band SIGE (Silicon Germanium). Di samping itu, terdapat modulator graphene yang bergantung pada graphene untuk beralih antara logam menyerap dan penebat telus. Ini menunjukkan kepelbagaian aplikasi mekanisme yang berlainan untuk mencapai modulasi isyarat optik yang berkelajuan tinggi dan rendah.

Rajah 10: (a) Rajah keratan rentas pelbagai reka bentuk modulator optik berasaskan silikon dan (b) rajah keratan rentas reka bentuk pengesan optik.

Beberapa pengesan cahaya berasaskan silikon ditunjukkan dalam Rajah 10B. Bahan menyerap adalah germanium (GE). GE dapat menyerap cahaya pada panjang gelombang hingga kira -kira 1.6 mikron. Ditunjukkan di sebelah kiri adalah struktur pin yang paling berjaya secara komersil hari ini. Ia terdiri daripada silikon doped p-jenis di mana GE tumbuh. GE dan SI mempunyai ketidakcocokan kekisi 4%, dan untuk meminimumkan kehelan, lapisan nipis SIGE mula -mula ditanam sebagai lapisan penampan. N-jenis doping dilakukan di bahagian atas lapisan GE. Photodiode logam-semikonduktor-logam (MSM) ditunjukkan di tengah, dan APD (Avalanche Photodetector) ditunjukkan di sebelah kanan. Rantau Avalanche di APD terletak di SI, yang mempunyai ciri-ciri bunyi yang lebih rendah berbanding dengan rantau Avalanche dalam bahan elemen Kumpulan III-V.

Pada masa ini, tiada penyelesaian dengan kelebihan yang jelas dalam mengintegrasikan keuntungan optik dengan fotonik silikon. Rajah 11 menunjukkan beberapa pilihan yang mungkin dianjurkan oleh tahap pemasangan. Di sebelah kiri adalah integrasi monolitik yang termasuk penggunaan germanium (GE) yang ditanam epitaxially sebagai bahan keuntungan optik, erbium-doped (ER) gelombang kaca (seperti Al2O3, yang memerlukan pam optik), dan epitaxially ditanam galium arsenide (GAAs). Lajur seterusnya adalah wafer untuk pemasangan wafer, yang melibatkan oksida dan ikatan organik di rantau keuntungan kumpulan III-V. Lajur seterusnya adalah pemasangan cip-to-weer, yang melibatkan membenamkan cip kumpulan III-V ke dalam rongga wafer silikon dan kemudian memesona struktur gelombang. Kelebihan pendekatan tiga lajur pertama ini adalah bahawa peranti boleh berfungsi sepenuhnya diuji di dalam wafer sebelum memotong. Lajur paling kanan adalah pemasangan cip-to-chip, termasuk gandingan langsung cip silikon ke cip kumpulan III-V, serta gandingan melalui kanta dan pengganding grating. Trend ke arah aplikasi komersil bergerak dari kanan ke sebelah kiri carta ke arah penyelesaian yang lebih bersepadu dan bersepadu.

Rajah 11: Bagaimana keuntungan optik disepadukan ke dalam fotonik berasaskan silikon. Semasa anda bergerak dari kiri ke kanan, titik penyisipan pembuatan secara beransur -ansur bergerak kembali dalam proses.