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 оптичният модулатор. Всички съвременни силициеви...оптични модулаторисе основават на ефекта на свободните носители на плазма. Промяната на броя на свободните електрони и дупки в силициев материал чрез легиране, електрически или оптични методи може да промени неговия комплексен индекс на пречупване, процес, показан в уравнения (1,2), получени чрез напасване на данни от Сореф и Бенет 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, т.е. те могат да произведат по-голяма фазова промяна за дадена промяна на загубите, така че вМах-Цендерови модулатории пръстеновидни модулатори, обикновено се предпочита използването на отвори, за да се направятфазови модулатори.
Различнитесилициев (Si) модулаторВидовете са показани на Фигура 10А. В модулатор с инжектиране на носители светлината се намира във вътрешен силиций в рамките на много широк пин преход и се инжектират електрони и дупки. Такива модулатори обаче са по-бавни, обикновено с честотна лента от 500 MHz, тъй като свободните електрони и дупки се нуждаят от повече време за рекомбинация след инжектиране. Следователно, тази структура често се използва като променлив оптичен атенюатор (VOA), а не като модулатор. В модулатор с изчерпване на носителите, светлинната част се намира в тесен pn преход и ширината на изчерпване на pn прехода се променя от приложено електрическо поле. Този модулатор може да работи със скорости над 50 Gb/s, но има високи фонови загуби при вмъкване. Типичното vpil е 2 V-cm. Модулаторът от метал-оксид-полупроводник (MOS) (всъщност полупроводник-оксид-полупроводник) съдържа тънък оксиден слой в pn преход. Той позволява известно натрупване на носители, както и изчерпване на носителите, 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 съществуват SiGe модулатори на електрическа абсорбция, базирани на движението на ръбовете на SiGe (силициево-германиева сплав). Освен това има графенови модулатори, които разчитат на графен за превключване между абсорбиращи метали и прозрачни изолатори. Те демонстрират разнообразието от приложения на различни механизми за постигане на високоскоростна оптична модулация на сигнала с ниски загуби.
Фигура 10: (A) Диаграма на напречното сечение на различни конструкции на силициеви оптични модулатори и (B) диаграма на напречното сечение на конструкции на оптични детектори.
На Фигура 10B са показани няколко светлинни детектора на силициева основа. Абсорбиращият материал е германий (Ge). Ge е способен да абсорбира светлина с дължини на вълните до около 1,6 микрона. Вляво е показана най-комерсиално успешната пин структура днес. Тя е съставена от P-тип легиран силиций, върху който расте Ge. Ge и Si имат 4% несъответствие в решетката и за да се сведе до минимум дислокацията, първо се отглежда тънък слой SiGe като буферен слой. N-тип легиране се извършва върху горната част на Ge слоя. В средата е показан фотодиод метал-полупроводник-метал (MSM), а в средата - APD (лавинов фотодетектор) е показана вдясно. Лавинната област в APD е разположена в Si, който има по-ниски шумови характеристики в сравнение с лавинната област в елементарните материали от III-V група.
Понастоящем няма решения с очевидни предимства при интегрирането на оптично усилване със силициева фотоника. Фигура 11 показва няколко възможни варианта, организирани по ниво на сглобяване. В най-лявата част са монолитни интеграции, които включват използването на епитаксиално отгледан германий (Ge) като материал за оптично усилване, стъклени вълноводи, легирани с ербий (Er) (като Al2O3, който изисква оптично напомпване) и епитаксиално отгледани квантови точки от галиев арсенид (GaAs). Следващата колона е сглобяване от пластина към пластина, включващо оксидно и органично свързване в областта на усилване от III-V група. Следващата колона е сглобяване от чип към пластина, което включва вграждане на чипа от III-V група в кухината на силициевата пластина и след това машинно обработване на структурата на вълновода. Предимството на този подход с първите три колони е, че устройството може да бъде напълно функционално тествано вътре в пластината преди рязане. Най-дясната колона е сглобяване от чип към чип, включително директно свързване на силициеви чипове към чипове от III-V група, както и свързване чрез лещи и решетъчни разклонители. Тенденцията към търговски приложения се движи от дясната към лявата страна на диаграмата към по-интегрирани и интегрирани решения.
Фигура 11: Как оптичното усилване е интегрирано във фотоника на силициева основа. С движението отляво надясно, точката на вмъкване в производството постепенно се измества назад в процеса.
Време на публикуване: 22 юли 2024 г.