Активен елемент на силиконовата фотоника

Активен елемент на силиконовата фотоника

Активните компоненти на Photonics се отнасят конкретно към умишлено проектирани динамични взаимодействия между светлината и материята. Типичният активен компонент на фотониката е оптичен модулатор. Всички текущи силиконови на базата на силицийОптични модулаторисе основават на ефекта на превозвач без плазмен. Промяната на броя на свободните електрони и дупки в силициев материал чрез допинг, електрически или оптични методи може да промени сложния му коефициент на пречупване, процес, показан в уравнения (1,2), получен чрез приспособяване на данни от Soref и Bennett с дължина на вълната 1550 нанометри. В сравнение с електроните, дупките причиняват по -голяма част от реалните и въображаеми промени в коефициента на пречупване, тоест те могат да доведат до по -голяма промяна на фазата за дадена промяна в загубата, така че вMach-Zehnder модулатории модулатори на пръстени, обикновено е предпочитано да се използват дупки за приготвянеФазови модулатори.

РазличнитеСиликонов (SI) модулаторТиповете са показани на фигура 10а. В модулатор за инжектиране на носител светлината е разположена във вътрешен силиций в много широк щифт, а електроните и дупките се инжектират. Въпреки това, такива модулатори са по -бавни, обикновено с честотна лента от 500 MHz, тъй като свободните електрони и дупки отнемат повече време за рекомбини след инжектиране. Следователно тази структура често се използва като променлив оптичен атенюатор (VOA), а не като модулатор. В модулатор на изчерпване на носител светлинната част е разположена в тесен PN възел, а ширината на изчерпване на PN възел се променя чрез приложено електрическо поле. Този модулатор може да работи със скорост над 50 GB/s, но има голяма загуба на фоново поставяне. Типичният VPIL е 2 V-CM. Полупроводниковият метален оксид (MOS) (всъщност полупроводниково-оксид-семикопроводник) модулатор съдържа тънък оксиден слой в PN кръстовище. Той позволява известно натрупване на носители, както и изчерпване на носителите, което позволява по-малък VπL от около 0,2 V-CM, но има недостатък на по-високи оптични загуби и по-висок капацитет на единица дължина. В допълнение, има SIGE електрически абсорбционни модулатори на базата на движение на лентата SIGE (Silicon Germanium). В допълнение, има графенови модулатори, които разчитат на графен, за да превключват между абсорбиращи метали и прозрачни изолатори. Те демонстрират разнообразието от приложения на различни механизми за постигане на високоскоростна оптична сигнална модулация с ниска загуба.

Фигура 10: (а) Диаграма на напречно сечение на различни дизайни на оптични модулации на базата на силиций и (б) диаграма на напречно сечение на дизайни на оптични детектори.

Няколко силиконови на базата на силиций са показани на фигура 10б. Поглъщащият материал е германий (GE). GE е в състояние да абсорбира светлина при дължини на вълната до около 1,6 микрона. Показана вляво е най -успешната комерсиална структура на ПИН днес. Съставен е от легиран силиций от P-тип, върху който GE расте. GE и SI имат 4% несъответствие на решетката и за да се сведе до минимум дислокацията, тънък слой SIGE първо се отглежда като буферен слой. N-тип допинг се извършва в горната част на GE слоя. Фотодиодът с метално-семикопроводник (MSM) е показан в средата, а APD (ПАЛАЛАНСКИ ФОТОДЕКТОР) е показан вдясно. Районът на лавината в APD е разположен в Si, който има по-ниски характеристики на шума в сравнение с областта на лавината в елементарни материали от група III-V.

Понастоящем няма решения с очевидни предимства в интегрирането на оптичната печалба със силиконова фотоника. Фигура 11 показва няколко възможни опции, организирани от нивото на сглобяване. Отляво са монолитни интеграции, които включват използването на епитаксиално отглеждан германий (GE) като материал за оптично усилване, стъклени вълновода, легирани с ербий (ER) (като AL2O3, който изисква оптични изпомпване) и епитаксиално отглеждани галиев арсенид (GAAS) квантови точки. Следващата колона е вафла за сглобяване на вафли, включваща оксид и органично свързване в III-V групата на усилване. Следващата колона е сглобяване на чип-лафер, която включва вграждане на III-V групата на групата в кухината на силициевата вафла и след това обработване на структурата на вълноводния бутон. Предимството на този първи три подхода на колоната е, че устройството може да бъде напълно функционално тествано вътре в вафлата преди рязане. Най-дясната колона е сглобяване на чип-чип, включително директно свързване на силиконови чипове към III-V групови чипове, както и свързване чрез обектив и решетки за решетка. Тенденцията към търговските приложения се движи отдясно от лявата страна на диаграмата към по -интегрирани и интегрирани решения.

Фигура 11: Как оптичната печалба е интегрирана във фониката на базата на силиций. Докато се движите отляво надясно, точката на производство постепенно се движи обратно в процеса.