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 tipikal fotonik ialah modulator optik. Semua berasaskan silikon semasamodulator optikadalah berdasarkan kesan pembawa bebas plasma. Menukar bilangan elektron bebas dan lubang dalam bahan silikon dengan kaedah doping, elektrik atau optik boleh mengubah indeks biasan kompleksnya, satu proses yang ditunjukkan dalam persamaan (1,2) yang diperoleh dengan memasukkan data daripada Soref dan Bennett pada panjang gelombang 1550 nanometer . Berbanding dengan elektron, lubang menyebabkan bahagian yang lebih besar daripada 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, ia biasanya lebih disukai untuk menggunakan lubang untuk membuatmodulator fasa.

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

Rajah 10: (A) Gambar rajah keratan rentas pelbagai reka bentuk modulator optik berasaskan silikon dan (B) gambar rajah keratan rentas reka bentuk pengesan optik.

Beberapa pengesan cahaya berasaskan silikon ditunjukkan dalam Rajah 10B. Bahan penyerap adalah germanium (Ge). Ge mampu menyerap cahaya pada panjang gelombang sehingga kira-kira 1.6 mikron. Ditunjukkan di sebelah kiri ialah struktur pin yang paling berjaya secara komersial hari ini. Ia terdiri daripada silikon terdop jenis P di mana Ge tumbuh. Ge dan Si mempunyai 4% ketidakpadanan kekisi, dan untuk meminimumkan kehelan, lapisan nipis SiGe mula-mula ditanam sebagai lapisan penimbal. Doping jenis N dilakukan pada 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 di APD terletak di Si, yang mempunyai ciri hingar yang lebih rendah berbanding dengan kawasan runtuhan salji dalam bahan unsur 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 disusun mengikut tahap pemasangan. Di sebelah kiri sekali ialah integrasi monolitik yang merangkumi penggunaan germanium (Ge) yang ditanam secara epitaxial sebagai bahan perolehan optik, pandu gelombang kaca berdop erbium (Er) (seperti Al2O3, yang memerlukan pengepaman optik), dan galium arsenide (GaAs) yang ditanam secara epitaksi. ) titik kuantum. Lajur seterusnya ialah pemasangan wafer kepada wafer, yang melibatkan ikatan oksida dan organik dalam kawasan perolehan kumpulan III-V. Lajur seterusnya ialah pemasangan cip-ke-wafer, yang melibatkan pemasukan cip kumpulan III-V ke dalam rongga wafer silikon dan kemudian pemesinan struktur pandu gelombang. Kelebihan pendekatan tiga lajur pertama ini ialah peranti boleh diuji berfungsi sepenuhnya di dalam wafer sebelum dipotong. Lajur paling kanan ialah pemasangan cip-ke-cip, termasuk gandingan terus cip silikon ke cip kumpulan III-V, serta gandingan melalui kanta dan pengganding parut. Aliran ke arah aplikasi komersial sedang 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 sisipan pembuatan secara beransur-ansur bergerak kembali dalam proses.