Silīcija fotonika aktīvais elements

Silīcija fotonika aktīvais elements

Fotonikas aktīvie komponenti īpaši attiecas uz apzināti izstrādātu dinamisku mijiedarbību starp gaismu un matēriju. Tipisks aktīvais fotonikas komponents ir optiskais modulators. Visas pašreizējās silīcija bāzesoptiskie modulatoriir balstīti uz nesēju bez plazmas. Mainot brīvo elektronu un caurumu skaitu silīcija materiālā, izmantojot dopinga, elektriskās vai optiskās metodes, var mainīt tā sarežģīto refrakcijas indeksu - process, kas parādīts vienādojumos (1,2), kas iegūts, piestiprinot datus no iekaisuma un Bennett 1550 nanometru viļņa garumā viļņa garumā Apvidū Salīdzinot ar elektroniem, caurumi izraisa lielāku reālo un iedomātu refrakcijas indeksa izmaiņu daļu, tas ir, tie var izraisīt lielāku fāzes izmaiņas noteiktajām zaudējumu izmaiņāmMach-Zehnder modulatoriun gredzena modulatorus, parasti tiek dota priekšroka caurumiem, lai izveidotu caurumusfāzes modulatori.

DažādiSilīcija (SI) modulatorsVeidi ir parādīti 10.a attēlā. Pārvadātāja iesmidzināšanas modulatorā gaisma atrodas iekšējā silīcijā ļoti plašā tapu krustojumā, un tiek ievadīti elektroni un caurumi. Tomēr šādi modulatori ir lēnāki, parasti ar joslas platumu 500 MHz, jo brīvajiem elektroniem un caurumiem pēc injekcijas ir nepieciešams ilgāks laiks. Tāpēc šo struktūru bieži izmanto kā mainīgu optisko vājinātāju (VOA), nevis modulatoru. Pārvadātāja noplicināšanas modulatorā vieglā daļa atrodas šaurā PN krustojumā, un PN krustojuma noplicināšanas platumu maina ar piemērotu elektrisko lauku. Šis modulators var darboties ar ātrumu, kas pārsniedz 50 GB/s, bet tam ir augsts fona ievietošanas zudums. Tipiskais VPIL ir 2 V-CM. Metāla oksīda pusvadītājs (MOS) (faktiski pusvadītāju-oksīda semiconductor) modulators PN krustojumā satur plānu oksīda slāni. Tas ļauj veikt zināmu nesēja uzkrāšanos, kā arī nesēja samazināšanos, ļaujot mazāku VπL aptuveni 0,2 V-CM, bet tam ir lielāki optisko zudumu trūkumi un augstāka kapacitāte uz garuma vienību. Turklāt ir sige elektriskās absorbcijas modulatori, kuru pamatā ir sige (silīcija germānija sakausējuma) joslu malu kustība. Turklāt ir grafēna modulatori, kas paļaujas uz grafēnu, lai pārslēgtos starp absorbējošajiem metāliem un caurspīdīgiem izolatoriem. Tie parāda dažādu mehānismu pielietojuma daudzveidību, lai panāktu ātrgaitas, zemu zaudējumu optisko signāla modulāciju.

10. attēls: a) dažādu silīcija bāzes optiskā modulatora dizainu šķērsgriezuma diagramma un (b) optiskā detektora dizainu šķērsgriezuma diagramma.

Vairāki uz silīcija bāzes gaismas detektori ir parādīti 10.b attēlā. Absorbējošais materiāls ir germānijs (GE). GE spēj absorbēt gaismu viļņu garumā līdz aptuveni 1,6 mikroniem. Kreisajā pusē ir redzama komerciāli veiksmīgākā PIN struktūra šodien. Tas sastāv no p-veida leģēta silīcija, uz kura aug GE. GE un Si ir 4% režģa neatbilstība, un, lai samazinātu dislokāciju, plānu sige slāni vispirms audzē kā bufera slāni. N-tipa dopings tiek veikts GE slāņa augšdaļā. Metāla un semiconductor-metal (MSM) fotodiode ir parādīta vidū un APD (lavīna fotodetektors) ir parādīts labajā pusē. Avalanche reģions APD atrodas SI, kam ir zemākas trokšņa īpašības, salīdzinot ar lavīnu reģionu III-V grupas elementu materiālos.

Pašlaik nav risinājumu ar acīmredzamām priekšrocībām optiskā pieauguma integrācijā ar silīcija fotoniku. 11. attēlā parādītas vairākas iespējamās iespējas, kas sakārtotas pēc montāžas līmeņa. Kreisajā pusē ir monolītās integrācijas, kas ietver epitaksiāli audzēta germānija (GE) izmantošanu kā optiskā pastiprinājuma materiālu, erbium leģētu (ER) stikla viļņvadus (piemēram, AL2O3, kam nepieciešama optiska sūknēšana) un epitaksiāli audzētu gallija arsenīdu (Gaas ) Kvantu punkti. Nākamā kolonna ir vafeļu līdz vafeļu montāžai, iesaistot oksīdu un organisko savienošanu III-V grupas ieguvumu reģionā. Nākamā kolonna ir mikroshēmas-pēcpusdienas montāža, kas ietver III-V grupas mikroshēmas iegulšanu silīcija vafeles dobumā un pēc tam viļņvada struktūras apstrādi. Šīs pirmās trīs kolonnas pieejas priekšrocība ir tā, ka ierīci var pilnībā funkcionāli pārbaudīt vafeles iekšpusē pirms griešanas. Labā kolonna ir mikroshēmas mikroshēmas montāža, ieskaitot tiešu silīcija mikroshēmu savienošanu ar III-V grupas mikroshēmām, kā arī savienošanu caur objektīvu un režģa savienotājiem. Komerciālo lietojumprogrammu tendence virzās no labās puses uz diagrammas kreiso pusi uz integrētākiem un integrētiem risinājumiem.

11. attēls: Kā optiskais ieguvums ir integrēts silīcija bāzes fotonikā. Pārejot no kreisās uz labo pusi, ražošanas ievietošanas punkts procesā pakāpeniski pārvietojas atpakaļ.