Silīcija fotonikas aktīvais elements

Silīcija fotonikas aktīvais elements

Fotonikas aktīvie komponenti attiecas uz apzināti izstrādātu dinamisko mijiedarbību starp gaismu un matēriju. Tipisks fotonikas aktīvais komponents ir optiskais modulators. Visi pašreizējie uz silīcija bāzes veidotieoptiskie modulatoriir balstīti uz plazmas brīvā nesēja efektu. Brīvo elektronu un caurumu skaita maiņa silīcija materiālā ar dopinga, elektriskām vai optiskām metodēm var mainīt tā komplekso refrakcijas indeksu, process, kas parādīts vienādojumos (1,2), kas iegūti, pielāgojot datus no Soref un Bennett 1550 nanometru viļņa garumā. Salīdzinot ar elektroniem, caurumi izraisa lielāku reālo un iedomāto refrakcijas indeksa izmaiņu daļu, tas ir, tie var radīt lielākas fāzes izmaiņas noteiktām zudumu izmaiņām, tāpēcMaha-Zehndera modulatoriun gredzenu modulatoriem parasti ir vēlams izmantot caurumus, lai izveidotufāzes modulatori.

Dažādiesilīcija (Si) modulatorsVeidi ir parādīti 10.A attēlā. Nesēju inžekcijas modulatorā gaisma atrodas iekšējā silīcijā ļoti platā tapu savienojumā, un tiek inžecēti elektroni un caurumi. Tomēr šādi modulatori ir lēnāki, parasti ar joslas platumu 500 MHz, jo brīvajiem elektroniem un caurumiem pēc inžekcijas ir nepieciešams ilgāks laiks, lai rekombinētos. Tāpēc šo struktūru bieži izmanto kā mainīgu optisko vājinātāju (VOA), nevis modulatoru. Nesēju noplicināšanas modulatorā gaismas daļa atrodas šaurā pn savienojumā, un pn savienojuma noplicināšanas platumu maina pielietots elektriskais lauks. Šis modulators var darboties ar ātrumu, kas pārsniedz 50 Gb/s, taču tam ir augsti fona ievietošanas zudumi. Tipiskais vpil ir 2 V-cm. Metāla oksīda pusvadītāja (MOS) (faktiski pusvadītāja-oksīda-pusvadītāja) modulators satur plānu oksīda slāni pn savienojumā. Tas pieļauj gan nesēju uzkrāšanos, gan nesēju noplicināšanu, ļaujot sasniegt mazāku VπL aptuveni 0,2 V-cm, taču tam ir trūkums - lielāki optiskie zudumi un lielāka kapacitāte uz garuma vienību. Turklāt pastāv SiGe elektriskās absorbcijas modulatori, kuru pamatā ir SiGe (silīcija germānija sakausējuma) joslas malas kustība. Turklāt pastāv grafēna modulatori, kas izmanto grafēnu, lai pārslēgtos starp absorbējošiem metāliem un caurspīdīgiem izolatoriem. Tie demonstrē dažādu mehānismu pielietojumu daudzveidību, lai panāktu ātrdarbīgu, mazzudumu optiskā signāla modulāciju.

10. attēls: (A) Dažādu uz silīcija bāzes veidotu optisko modulatoru konstrukciju šķērsgriezuma diagramma un (B) optisko detektoru konstrukciju šķērsgriezuma diagramma.

10.B attēlā parādīti vairāki uz silīcija bāzes veidoti gaismas detektori. Absorbējošais materiāls ir germānijs (Ge). Ge spēj absorbēt gaismu viļņu garumos līdz aptuveni 1,6 mikroniem. Kreisajā pusē ir parādīta mūsdienās komerciāli veiksmīgākā tapu struktūra. Tā sastāv no P tipa leģēta silīcija, uz kura aug Ge. Ge un Si režģa neatbilstība ir 4%, un, lai samazinātu dislokāciju, vispirms kā bufera slānis tiek audzēts plāns SiGe slānis. Ge slāņa virspusē tiek veikta N tipa leģēšana. Metāla-pusvadītāja-metāla (MSM) fotodiode ir parādīta vidū, bet APD (lavīnu fotodetektors) ir parādīts labajā pusē. APD lavīnu reģions atrodas Si, kam ir zemāki trokšņu raksturlielumi salīdzinājumā ar lavīnu reģionu III-V grupas elementu materiālos.

Pašlaik nav risinājumu ar acīmredzamām priekšrocībām optiskā pastiprinājuma integrēšanā ar silīcija fotoniku. 11. attēlā parādītas vairākas iespējamās iespējas, kas sakārtotas pēc montāžas līmeņa. Kreisajā pusē ir monolītas integrācijas, kas ietver epitaksiāli audzēta germānija (Ge) izmantošanu kā optiskā pastiprinājuma materiālu, ar erbiju leģētus (Er) stikla viļņvadus (piemēram, Al2O3, kam nepieciešama optiskā sūknēšana) un epitaksiāli audzētus gallija arsenīda (GaAs) kvantu punktus. Nākamā kolonna ir plāksnītes montāža, kas ietver oksīda un organiskās saites III-V grupas pastiprinājuma reģionā. Nākamā kolonna ir mikroshēmas-plāksnītes montāža, kas ietver III-V grupas mikroshēmas iestrādāšanu silīcija plāksnītes dobumā un pēc tam viļņvada struktūras apstrādi. Šīs pirmās trīs kolonnu pieejas priekšrocība ir tā, ka ierīci var pilnībā pārbaudīt plāksnītes iekšpusē pirms griešanas. Labējā kolonna ir mikroshēmas-plāksnītes montāža, kas ietver silīcija mikroshēmu tiešu savienošanu ar III-V grupas mikroshēmām, kā arī savienošanu, izmantojot lēcas un režģa savienotājus. Tendence uz komerciāliem lietojumiem virzās no diagrammas labās puses uz kreiso pusi, virzoties uz integrētākiem un integrētākiem risinājumiem.

11. attēls: Kā optiskais pastiprinājums tiek integrēts uz silīcija bāzes veidotā fotonikā. Virzoties no kreisās uz labo pusi, ražošanas ievietošanas punkts procesā pakāpeniski virzās atpakaļ.