Silicium Photonics Active Element

Silicium Photonics Active Element

Fotonik aktive komponenter henviser specifikt til med vilje designede dynamiske interaktioner mellem lys og stof. En typisk aktiv komponent i fotonik er en optisk modulator. Alle aktuelle siliciumbaseredeOptiske modulatorerer baseret på plasmafri bærereffekt. Ændring af antallet af frie elektroner og huller i et siliciummateriale ved doping, elektriske eller optiske metoder kan ændre sit komplekse brydningsindeks, en proces vist i ligninger (1,2) opnået ved montering af data fra Soref og Bennett ved en bølgelængde på 1550 nanometer. Sammenlignet med elektroner forårsager huller en større andel af de reelle og imaginære brydningsindeksændringer, det vil sige, de kan producere en større faseændring for en given tabsændring, så iMach-Zehnder-modulatorerOg ringmodulatorer, det foretrækkes normalt at bruge huller til at fremstilleFasemodulatorer.

De forskelligeSilicon (SI) modulatorTyper er vist i figur 10a. I en bærerinjektionsmodulator er lys placeret i iboende silicium inden for et meget bredt pin -kryds, og elektroner og huller injiceres. Imidlertid er sådanne modulatorer langsommere, typisk med en båndbredde på 500 MHz, fordi frie elektroner og huller tager længere tid at rekombineres efter injektion. Derfor bruges denne struktur ofte som en variabel optisk dæmpning (VOA) snarere end en modulator. I en bærerudtømningsmodulator er den lette del placeret i et smalt PN -kryds, og udtømningsbredden af ​​PN -krydset ændres af et anvendt elektrisk felt. Denne modulator kan fungere med hastigheder på over 50 GB/s, men har et højt tab af indsættelsesindsætning. Den typiske VPIL er 2 V-CM. En metaloxid-halvleder (MOS) (faktisk halvleder-oxid-halvleder) modulator indeholder et tyndt oxidlag i et PN-kryds. Det tillader en vis bærerakkumulering såvel som bærerudtømning, hvilket tillader en mindre Vπl på ca. 0,2 V-CM, men har ulempen ved højere optiske tab og højere kapacitans pr. Enhedslængde. Derudover er der SIGE elektriske absorptionsmodulatorer baseret på SIGE (Silicon Germanium Alloy) båndkantbevægelse. Derudover er der grafenmodulatorer, der er afhængige af grafen for at skifte mellem absorberende metaller og gennemsigtige isolatorer. Disse demonstrerer mangfoldigheden af ​​anvendelser af forskellige mekanismer til opnåelse af højhastighedsoptisk signalmodulation med lavt tab.

Figur 10: (a) tværsnitsdiagram over forskellige siliciumbaserede optiske modulatordesign og (b) tværsnitsdiagram over optiske detektor-design.

Flere siliciumbaserede lysdetektorer er vist i figur 10b. Det absorberende materiale er germanium (GE). GE er i stand til at absorbere lys ved bølgelængder ned til ca. 1,6 mikron. Til venstre er den mest kommercielt succesrige pinstruktur i dag. Det er sammensat af p-type dopet silicium, som GE vokser på. GE og SI har en 4% gitter -misforhold, og for at minimere dislokationen dyrkes et tyndt lag af SIGE først som et pufferlag. Doping af N-type udføres på toppen af ​​GE-laget. En metal-halvleder-metal (MSM) fotodiode er vist i midten og en APD (Avalanche -fotodetektor) vises til højre. Avalanche-regionen i APD er placeret i SI, som har lavere støjegenskaber sammenlignet med lavine-regionen i gruppe III-V-elementære materialer.

På nuværende tidspunkt er der ingen løsninger med åbenlyse fordele til at integrere optisk forstærkning med siliciumfotonik. Figur 11 viser flere mulige muligheder, der er organiseret efter samlingsniveau. Længst til venstre er monolitiske integrationer, der inkluderer brugen af ​​epitaksialt dyrket germanium (GE) som et optisk forstærkningsmateriale, Erbium-dopede (ER) glasbølgeleder (såsom Al2O3, som kræver optisk pumpning) og epitaksialt dyrket galliumarsenid (GAAS) kvantepunkter. Den næste søjle er skive til skiverenheden, der involverer oxid og organisk binding i III-V-gruppeforstærkningsregionen. Den næste søjle er chip-to-wafer-samling, som involverer indlejring af III-V-gruppens chip i hulrummet i siliciumskiven og derefter bearbejdning af bølgelederstrukturen. Fordelen ved denne første tre kolonne -tilgang er, at enheden kan testes fuldt funktionel inde i skiven, før den skærer. Den højre-mest kolonne er chip-to-chip-samling, inklusive direkte kobling af siliciumchips til III-V-gruppechips samt kobling via linse og gitterkoblinger. Tendensen mod kommercielle applikationer bevæger sig fra højre til venstre side af diagrammet mod mere integrerede og integrerede løsninger.

Figur 11: Hvordan optisk gevinst er integreret i siliciumbaseret fotonik. Når du bevæger dig fra venstre mod højre, bevæger produktionsindsættelsespunktet sig gradvist tilbage i processen.