Силициев фотонен активен елемент
Активните компоненти на фотониката се отнасят конкретно до умишлено проектирани динамични взаимодействия между светлина и материя. Типичен активен компонент на фотониката е оптичен модулатор. Всички текущи базирани на силицийоптични модулаторисе основават на ефекта на носителя без плазма. Промяната на броя на свободните електрони и дупки в силициев материал чрез допинг, електрически или оптични методи може да промени неговия комплексен индекс на пречупване, процес, показан в уравнения (1,2), получени чрез монтиране на данни от Soref и Bennett при дължина на вълната от 1550 нанометра . В сравнение с електроните, дупките причиняват по-голяма част от промените в реалния и въображаемия индекс на пречупване, тоест те могат да предизвикат по-голяма фазова промяна за дадена промяна на загубата, така че вМодулатори на Mach-Zehnderи пръстеновидни модулатори, обикновено се предпочита да се използват дупки за правенефазови модулатори.
Различнитесилициев (Si) модулатортиповете са показани на Фигура 10А. В модулатор за инжектиране на носител светлината е разположена във вътрешен силиций в рамките на много широк щифтов преход и се инжектират електрони и дупки. Въпреки това, такива модулатори са по-бавни, обикновено с честотна лента от 500 MHz, тъй като свободните електрони и дупки отнемат повече време за рекомбиниране след инжектиране. Следователно тази структура често се използва като променлив оптичен атенюатор (VOA), а не като модулатор. В модулатор за изчерпване на носителя светлинната част е разположена в тесен pn преход и ширината на изчерпване на pn прехода се променя от приложено електрическо поле. Този модулатор може да работи при скорости над 50Gb/s, но има висока фонова вмъкната загуба. Типичният vpil е 2 V-cm. Модулаторът на металооксиден полупроводник (MOS) (всъщност полупроводник-оксид-полупроводник) съдържа тънък оксиден слой в pn преход. Той позволява известно натрупване на носители, както и изчерпване на носители, позволявайки по-малък VπL от около 0,2 V-cm, но има недостатъка на по-високи оптични загуби и по-висок капацитет на единица дължина. Освен това има модулатори на електрическа абсорбция SiGe, базирани на движение на ръба на лентата SiGe (силициева германиева сплав). Освен това има модулатори на графен, които разчитат на графен за превключване между абсорбиращи метали и прозрачни изолатори. Те демонстрират разнообразието от приложения на различни механизми за постигане на високоскоростна модулация на оптичен сигнал с ниски загуби.
Фигура 10: (A) Диаграма на напречно сечение на различни дизайни на оптичен модулатор на базата на силиций и (B) диаграма на напречно сечение на дизайни на оптичен детектор.
Няколко базирани на силиций светлинни детектора са показани на фигура 10B. Поглъщащият материал е германий (Ge). Ge е в състояние да абсорбира светлина при дължини на вълните до около 1,6 микрона. Показаната вляво е най-успешната комерсиално щифтова структура днес. Състои се от P-тип легиран силиций, върху който расте Ge. Ge и Si имат 4% несъответствие на решетката и за да се сведе до минимум дислокацията, първо се отглежда тънък слой SiGe като буферен слой. Допиране от N-тип се извършва в горната част на слоя Ge. Фотодиод метал-полупроводник-метал (MSM) е показан в средата и APD (лавинен фотодетектор) е показано вдясно. Лавинният регион в APD се намира в Si, който има по-ниски шумови характеристики в сравнение с лавинния регион в елементарни материали от група III-V.
Понастоящем няма решения с очевидни предимства при интегрирането на оптично усилване със силициева фотоника. Фигура 11 показва няколко възможни опции, организирани по ниво на сглобяване. Най-вляво са монолитни интеграции, които включват използването на епитаксиално отгледан германий (Ge) като материал за оптично усилване, легирани с ербий (Er) стъклени вълноводи (като Al2O3, което изисква оптично изпомпване) и епитаксиално отгледан галиев арсенид (GaAs ) квантови точки. Следващата колона е сглобяване на пластина към пластина, включващо оксидно и органично свързване в областта на усилване на групата III-V. Следващата колона е сглобяването на чип към пластина, което включва вграждане на чипа от III-V група в кухината на силиконовата пластина и след това машинна обработка на структурата на вълновода. Предимството на този подход с първите три колони е, че устройството може да бъде напълно функционално тествано вътре във вафлата преди рязане. Най-дясната колона е монтаж от чип към чип, включително директно свързване на силициеви чипове към чипове от III-V група, както и свързване чрез съединители за лещи и решетки. Тенденцията към търговски приложения се движи от дясната към лявата страна на графиката към по-интегрирани и интегрирани решения.
Фигура 11: Как оптичното усилване е интегрирано в базирана на силиций фотоника. Докато се движите отляво надясно, производствената точка на вмъкване постепенно се движи назад в процеса.
Време на публикуване: 22 юли 2024 г