silicium fotonica actief element

silicium fotonica actief element

Actieve componenten in de fotonica verwijzen specifiek naar doelbewust ontworpen dynamische interacties tussen licht en materie. Een typische actieve component in de fotonica is een optische modulator. Alle huidige siliciumgebaseerde componenten zijn gebaseerd op optische modulatoren.optische modulatorenzijn gebaseerd op het plasma-vrije-drager-effect. Het veranderen van het aantal vrije elektronen en gaten in een siliciummateriaal door middel van dotering, elektrische of optische methoden kan de complexe brekingsindex veranderen, een proces dat wordt weergegeven in vergelijkingen (1,2) verkregen door het fitten van gegevens van Soref en Bennett bij een golflengte van 1550 nanometer. In vergelijking met elektronen veroorzaken gaten een groter deel van de reële en imaginaire veranderingen in de brekingsindex, dat wil zeggen dat ze een grotere faseverandering kunnen veroorzaken voor een gegeven verandering in verlies, dus inMach-Zehnder-modulatorenBij ringmodulatoren wordt er doorgaans de voorkeur aan gegeven om gaten te gebruiken omfasemodulatoren.

De verschillendesilicium (Si) modulatorDe typen worden weergegeven in Figuur 10A. In een carrierinjectiemodulator bevindt het licht zich in intrinsiek silicium binnen een zeer brede pn-junctie, waarna elektronen en gaten worden geïnjecteerd. Dergelijke modulatoren zijn echter trager, met een typische bandbreedte van 500 MHz, omdat vrije elektronen en gaten er langer over doen om te recombineren na injectie. Daarom wordt deze structuur vaak gebruikt als een variabele optische verzwakker (VOA) in plaats van een modulator. In een carrierdepletiemodulator bevindt het lichtgedeelte zich in een smalle pn-junctie, en de depletiebreedte van de pn-junctie wordt gewijzigd door een aangelegd elektrisch veld. Deze modulator kan werken met snelheden van meer dan 50 Gb/s, maar heeft een hoog achtergrondverlies. De typische vpil is 2 V-cm. Een metaaloxide-halfgeleider (MOS) modulator (eigenlijk halfgeleider-oxide-halfgeleider) bevat een dunne oxidelaag in een pn-junctie. Het maakt zowel ladingsdrageraccumulatie als ladingsdrageruitputting mogelijk, waardoor een kleinere VπL van ongeveer 0,2 V-cm kan worden bereikt, maar heeft als nadeel hogere optische verliezen en een hogere capaciteit per lengte-eenheid. Daarnaast zijn er SiGe-modulatoren voor elektrische absorptie gebaseerd op de verschuiving van de bandrand van SiGe (siliciumgermaniumlegering). Ook zijn er grafeenmodulatoren die gebruikmaken van grafeen om te schakelen tussen absorberende metalen en transparante isolatoren. Deze voorbeelden illustreren de diversiteit aan toepassingen van verschillende mechanismen om snelle, verliesarme optische signaalmodulatie te realiseren.

Figuur 10: (A) Doorsnede van verschillende op silicium gebaseerde optische modulatorontwerpen en (B) doorsnede van optische detectorontwerpen.

In figuur 10B worden verschillende op silicium gebaseerde lichtdetectoren getoond. Het absorberende materiaal is germanium (Ge). Ge kan licht absorberen bij golflengten tot ongeveer 1,6 micron. Links is de meest commercieel succesvolle pinstructuur van dit moment te zien. Deze bestaat uit p-type gedoteerd silicium waarop Ge groeit. Ge en Si hebben een roosterverschil van 4%, en om de dislocaties te minimaliseren, wordt eerst een dunne laag SiGe als bufferlaag aangebracht. Bovenop de Ge-laag wordt n-type dotering uitgevoerd. In het midden is een metaal-halfgeleider-metaal (MSM) fotodiode te zien, en een APD (lawine fotodetector) wordt rechts weergegeven. Het lawinegebied in APD bevindt zich in Si, dat lagere ruiseigenschappen heeft vergeleken met het lawinegebied in elementen van groep III-V.

Momenteel zijn er geen oplossingen met duidelijke voordelen voor de integratie van optische versterking met siliciumfotonica. Figuur 11 toont verschillende mogelijke opties, georganiseerd per assemblageniveau. Helemaal links bevinden zich monolithische integraties, waaronder het gebruik van epitaxiaal gegroeid germanium (Ge) als optisch versterkingsmateriaal, erbium-gedoteerde (Er) glazen golfgeleiders (zoals Al2O3, waarvoor optische pomping nodig is) en epitaxiaal gegroeide galliumarsenide (GaAs) kwantumstippen. De volgende kolom toont wafer-naar-wafer-assemblage, waarbij oxide- en organische bindingen in het III-V-versterkingsgebied worden gebruikt. De kolom daarna toont chip-naar-wafer-assemblage, waarbij de III-V-chip in de holte van de siliciumwafer wordt ingebed en vervolgens de golfgeleiderstructuur wordt gefreesd. Het voordeel van deze eerste driekolomsbenadering is dat het apparaat volledig functioneel kan worden getest in de wafer voordat het wordt gesneden. De meest rechtse kolom toont chip-naar-chip-assemblage, inclusief directe koppeling van siliciumchips aan III-V-chips, evenals koppeling via lens- en roosterkoppelaars. De trend in commerciële toepassingen verschuift van de rechterkant naar de linkerkant van de grafiek, richting meer geïntegreerde oplossingen.

Figuur 11: Hoe optische versterking wordt geïntegreerd in op silicium gebaseerde fotonica. Van links naar rechts verschuift het invoegpunt van de fabricage geleidelijk naar achteren in het proces.