Unsur aktif fotonik silikon

Unsur aktif fotonik silikon

Komponen aktif fotonik merujuk secara khusus kepada interaksi dinamik yang direka bentuk secara sengaja antara cahaya dan jirim. Komponen aktif fotonik yang biasa ialah modulator optik. Semua bahan berasaskan silikon semasamodulator optikadalah berdasarkan kesan pembawa bebas plasma. Mengubah bilangan elektron dan lubang bebas dalam bahan silikon melalui kaedah doping, elektrik atau optik boleh mengubah indeks biasan kompleksnya, satu proses yang ditunjukkan dalam persamaan (1,2) yang diperoleh dengan memadankan data daripada Soref dan Bennett pada panjang gelombang 1550 nanometer. Berbanding dengan elektron, lubang menyebabkan sebahagian besar perubahan indeks biasan sebenar dan khayalan, iaitu, ia boleh menghasilkan perubahan fasa yang lebih besar untuk perubahan kehilangan tertentu, jadi dalamModulator Mach-Zehnderdan modulator cincin, biasanya lebih suka menggunakan lubang untuk membuatmodulator fasa.

Pelbagaimodulator silikon (Si)Jenis-jenisnya ditunjukkan dalam Rajah 10A. Dalam modulator suntikan pembawa, cahaya terletak dalam silikon intrinsik dalam simpang pin yang sangat lebar, dan elektron serta lubang disuntik. Walau bagaimanapun, modulator sedemikian lebih perlahan, biasanya dengan lebar jalur 500 MHz, kerana elektron dan lubang bebas mengambil masa yang lebih lama untuk bergabung semula selepas suntikan. Oleh itu, struktur ini sering digunakan sebagai attenuator optik boleh ubah (VOA) dan bukannya modulator. Dalam modulator susutan pembawa, bahagian cahaya terletak di simpang pn yang sempit, dan lebar susutan simpang pn diubah oleh medan elektrik yang dikenakan. Modulator ini boleh beroperasi pada kelajuan melebihi 50Gb/s, tetapi mempunyai kehilangan sisipan latar belakang yang tinggi. Vpil biasa ialah 2 V-cm. Modulator semikonduktor oksida logam (MOS) (sebenarnya semikonduktor-oksida-semikonduktor) mengandungi lapisan oksida nipis dalam simpang pn. Ia membolehkan sedikit pengumpulan pembawa serta pengurangan pembawa, membolehkan VπL yang lebih kecil iaitu kira-kira 0.2 V-cm, tetapi mempunyai kelemahan iaitu kehilangan optik yang lebih tinggi dan kapasitans yang lebih tinggi bagi setiap unit panjang. Di samping itu, terdapat modulator penyerapan elektrik SiGe berdasarkan pergerakan tepi jalur SiGe (aloi silikon Germanium). Di samping itu, terdapat modulator grafena yang bergantung pada grafena untuk bertukar antara logam penyerap dan penebat lutsinar. Ini menunjukkan kepelbagaian aplikasi mekanisme yang berbeza untuk mencapai modulasi isyarat optik berkelajuan tinggi dan kehilangan rendah.

Rajah 10: (A) Gambarajah keratan rentas pelbagai reka bentuk modulator optik berasaskan silikon dan (B) gambarajah keratan rentas reka bentuk pengesan optik.

Beberapa pengesan cahaya berasaskan silikon ditunjukkan dalam Rajah 10B. Bahan penyerapnya ialah germanium (Ge). Ge mampu menyerap cahaya pada panjang gelombang sehingga kira-kira 1.6 mikron. Di sebelah kiri, struktur pin yang paling berjaya secara komersial hari ini terbahagi kepada silikon jenis-P yang didop di mana Ge tumbuh. Ge dan Si mempunyai ketidakpadanan kekisi 4%, dan untuk meminimumkan kehelan, lapisan nipis SiGe ditumbuhkan terlebih dahulu sebagai lapisan penimbal. Doping jenis-N dilakukan di bahagian atas lapisan Ge. Fotodiod logam-semikonduktor-logam (MSM) ditunjukkan di tengah, dan APD (Pengesan Foto runtuhan salji) ditunjukkan di sebelah kanan. Kawasan runtuhan salji dalam APD terletak di Si, yang mempunyai ciri-ciri hingar yang lebih rendah berbanding kawasan runtuhan salji dalam bahan unsur Kumpulan III-V.

Pada masa ini, tiada penyelesaian dengan kelebihan jelas dalam mengintegrasikan gandaan optik dengan fotonik silikon. Rajah 11 menunjukkan beberapa pilihan yang mungkin disusun mengikut peringkat pemasangan. Di bahagian paling kiri ialah integrasi monolitik yang merangkumi penggunaan germanium (Ge) yang ditumbuhkan secara epitaksi sebagai bahan gandaan optik, pandu gelombang kaca (Er) yang didop erbium (seperti Al2O3, yang memerlukan pengepaman optik), dan titik kuantum galium arsenida (GaAs) yang ditumbuhkan secara epitaksi. Lajur seterusnya ialah pemasangan wafer ke wafer, yang melibatkan ikatan oksida dan organik dalam kawasan gandaan kumpulan III-V. Lajur seterusnya ialah pemasangan cip-ke-wafer, yang melibatkan pembenaman cip kumpulan III-V ke dalam rongga wafer silikon dan kemudian memesin struktur pandu gelombang. Kelebihan pendekatan tiga lajur pertama ini ialah peranti boleh diuji berfungsi sepenuhnya di dalam wafer sebelum memotong. Lajur paling kanan ialah pemasangan cip-ke-cip, termasuk gandingan langsung cip silikon ke cip kumpulan III-V, serta gandingan melalui kanta dan pengganding parut. Trend ke arah aplikasi komersial sedang bergerak dari sebelah kanan ke sebelah kiri carta ke arah penyelesaian yang lebih bersepadu dan bersepadu.

Rajah 11: Cara penguatan optik disepadukan ke dalam fotonik berasaskan silikon. Apabila anda bergerak dari kiri ke kanan, titik sisipan pembuatan secara beransur-ansur bergerak ke belakang dalam proses tersebut.