Silicium fotonik aktivt element
Fotonik aktive komponenter refererer specifikt til bevidst designede dynamiske interaktioner mellem lys og stof. En typisk aktiv komponent i fotonik er en optisk modulator. Alt aktuelt siliciumbaseretoptiske modulatorerer baseret på den plasmafrie bærereffekt. Ændring af antallet af frie elektroner og huller i et siliciummateriale ved doping, elektriske eller optiske metoder kan ændre dets komplekse brydningsindeks, en proces vist i ligning (1,2) opnået ved at tilpasse 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, at de kan producere en større faseændring for en given tabsændring, så iMach-Zehnder modulatorerog ringmodulatorer foretrækkes det normalt at bruge huller til at lavefase modulatorer.
De forskelligesilicium (Si) modulatortyper er vist i figur 10A. I en bærer-injektionsmodulator er lys placeret i intrinsisk silicium i en meget bred stiftforbindelse, og elektroner og huller injiceres. Sådanne modulatorer er dog langsommere, typisk med en båndbredde på 500 MHz, fordi frie elektroner og huller tager længere tid at rekombinere efter injektion. Derfor bruges denne struktur ofte som en variabel optisk attenuator (VOA) i stedet for en modulator. I en bærebølgeudtømningsmodulator er lysdelen placeret i en smal pn-forbindelse, og udtømningsbredden af pn-forbindelsen ændres af et påført elektrisk felt. Denne modulator kan fungere ved hastigheder på over 50 Gb/s, men har et højt tab af baggrundsindsættelse. Den typiske vpil er 2 V-cm. En metaloxid-halvleder (MOS) (faktisk halvleder-oxid-halvleder) modulator indeholder et tyndt oxidlag i en pn-forbindelse. Det tillader en vis bærebølgeakkumulering såvel som bærebølgeudtømning, hvilket tillader en mindre VπL på omkring 0,2 V-cm, men har ulempen med højere optiske tab og højere kapacitans pr. længdeenhed. Derudover er der SiGe elektriske absorptionsmodulatorer baseret på SiGe (silicium Germanium legering) båndkantbevægelse. Derudover er der grafenmodulatorer, der er afhængige af grafen til at skifte mellem absorberende metaller og gennemsigtige isolatorer. Disse demonstrerer mangfoldigheden af anvendelser af forskellige mekanismer for at opnå højhastigheds-, lav-tab optisk signalmodulation.
Figur 10: (A) Tværsnitsdiagram af forskellige siliciumbaserede optiske modulatordesign og (B) tværsnitsdiagram af optiske detektordesigns.
Adskillige 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 omkring 1,6 mikron. Til venstre ses den mest kommercielt succesrige stiftstruktur i dag. Det er sammensat af P-type doteret silicium, hvorpå Ge vokser. Ge og Si har en 4% gittermismatch, og for at minimere dislokationen dyrkes først et tyndt lag SiGe som et bufferlag. N-type doping udføres på toppen af Ge-laget. En metal-halvleder-metal (MSM) fotodiode er vist i midten, og en APD (lavine fotodetektor) vises til højre. Lavineregionen i APD er placeret i Si, som har lavere støjegenskaber sammenlignet med lavineregionen i gruppe III-V elementære materialer.
På nuværende tidspunkt er der ingen løsninger med åbenlyse fordele ved at integrere optisk forstærkning med siliciumfotonik. Figur 11 viser flere mulige muligheder organiseret efter montageniveau. Yderst til venstre er monolitiske integrationer, der inkluderer brugen af epitaksialt dyrket germanium (Ge) som et optisk forstærkningsmateriale, erbium-doterede (Er) glasbølgeledere (såsom Al2O3, som kræver optisk pumpning) og epitaksialt dyrket galliumarsenid (GaAs) ) kvanteprikker. Den næste søjle er wafer til wafer samling, der involverer oxid og organisk binding i III-V gruppeforstærkningsområdet. Den næste kolonne er chip-til-wafer-samling, som involverer indlejring af III-V-gruppechippen i siliciumwaferens hulrum og derefter bearbejdning af bølgelederstrukturen. Fordelen ved denne første tilgang med tre kolonner er, at enheden kan testes fuldt funktionsdygtigt inde i waferen før skæring. Søjlen længst til højre er chip-til-chip samling, herunder direkte kobling af silicium chips til III-V gruppe chips, samt kobling via linse og gitter koblere. Tendensen mod kommercielle applikationer bevæger sig fra højre til venstre side af diagrammet mod mere integrerede og integrerede løsninger.
Figur 11: Hvordan optisk forstærkning er integreret i siliciumbaseret fotonik. Efterhånden som du bevæger dig fra venstre mod højre, flyttes produktionsindsætningspunktet gradvist tilbage i processen.
Indlægstid: 22-jul-2024