Silicium fotonik aktivt element
Fotoniske aktive komponenter refererer specifikt til bevidst designede dynamiske interaktioner mellem lys og stof. En typisk aktiv komponent i fotonik er en optisk modulator. Alle nuværende siliciumbaseredeoptiske 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 ligningerne (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, dvs. de kan producere en større faseændring for en given tabsændring, så iMach-Zehnder-modulatorerog ringmodulatorer, foretrækkes det normalt at bruge huller til at lavefasemodulatorer.
De forskelligesilicium (Si) modulatorTyperne er vist i figur 10A. I en bærerindsprøjtningsmodulator er lys placeret i det indre silicium i en meget bred pin-forbindelse, 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 dæmper (VOA) snarere end en modulator. I en bærerudtømningsmodulator er lysdelen placeret i en smal pn-forbindelse, og udtømningsbredden af pn-forbindelsen ændres af et påført elektrisk felt. Denne modulator kan fungere med hastigheder på over 50 Gb/s, men har et højt baggrundsindsættelsestab. Den typiske vpil er 2 V-cm. En metaloxidhalvleder (MOS) (faktisk halvleder-oxid-halvleder) modulator indeholder et tyndt oxidlag i en pn-forbindelse. Det tillader en vis akkumulering af bærer samt udtømning af bærer, hvilket tillader en mindre VπL på omkring 0,2 V-cm, men har ulempen med højere optiske tab og højere kapacitans pr. længdeenhed. Derudover findes der SiGe elektriske absorptionsmodulatorer baseret på SiGe (silicium-germaniumlegering) båndkantbevægelse. Derudover findes der grafenmodulatorer, der er afhængige af grafen til at skifte mellem absorberende metaller og transparente isolatorer. Disse demonstrerer mangfoldigheden af anvendelser af forskellige mekanismer til at opnå højhastigheds-, lavtabs-optisk signalmodulation.
Figur 10: (A) Tværsnitsdiagram af forskellige siliciumbaserede optiske modulatordesigns 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 vises den mest kommercielt succesfulde pin-struktur i dag. Den er sammensat af P-type doteret silicium, hvorpå Ge vokser. Ge og Si har en gitterafvigelse på 4%, og for at minimere dislokationen dyrkes et tyndt lag SiGe først som et bufferlag. N-type doping udføres oven på Ge-laget. En metal-halvleder-metal (MSM) fotodiode er vist i midten, og en APD (lavine fotodetektor) er vist til højre. Lavineområdet i APD er placeret i Si, som har lavere støjkarakteristika sammenlignet med lavineområdet i elementmaterialer i gruppe III-V.
I øjeblikket findes der ingen løsninger med åbenlyse fordele ved at integrere optisk forstærkning med siliciumfotonik. Figur 11 viser flere mulige muligheder organiseret efter samlingsniveau. Yderst til venstre er monolitiske integrationer, der inkluderer brugen af epitaksialt dyrket germanium (Ge) som et optisk forstærkningsmateriale, erbiumdopede (Er) glasbølgeledere (såsom Al2O3, som kræver optisk pumpning) og epitaksialt dyrkede galliumarsenid (GaAs) kvanteprikker. Den næste kolonne 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 tre-kolonnetilgang er, at enheden kan funktionstestes fuldt ud inde i waferen før skæring. Den yderste højre kolonne er chip-til-chip-samling, herunder direkte kobling af siliciumchips til III-V-gruppechips, samt kobling via linse- og gitterkoblere. Tendensen mod kommercielle applikationer bevæger sig fra højre til venstre side af diagrammet mod mere integrerede og integrerede løsninger.
Figur 11: Hvordan optisk forstærkning integreres i siliciumbaseret fotonik. Når man bevæger sig fra venstre mod højre, bevæger fremstillingsindsætningspunktet sig gradvist tilbage i processen.
Opslagstidspunkt: 22. juli 2024