Siliconenfotonica Actief element

Siliconenfotonica Actief element

Actieve componenten van fotonica verwijzen specifiek naar opzettelijk ontworpen dynamische interacties tussen licht en materie. Een typische actieve component van fotonica is een optische modulator. Alle huidige siliconen-gebaseerdoptische modulatorenzijn gebaseerd op het plasma -vrije dragereffect. Het wijzigen van het aantal vrije elektronen en gaten in een siliciummateriaal door doping, elektrische of optische methoden kan de complexe brekingsindex veranderen, een proces dat wordt getoond in vergelijkingen (1,2) verkregen door gegevens van Soref en Bennett aan te passen aan een golflengte van 1550 nanometers. In vergelijking met elektronen veroorzaken gaten een groter deel van de reële en denkbeeldige brekingsindexveranderingen, dat wil zeggen dat ze een grotere faseverandering kunnen veroorzaken voor een bepaalde verliesverandering, dus inMach-Zehnder-modulatorenen ringmodulatoren, het heeft meestal de voorkeur om gaten te gebruiken om te makenFasemodulatoren.

De verschillendesilicium (SI) modulatorTypen worden getoond in figuur 10A. In een dragerinjectiemodulator bevindt licht zich in intrinsiek silicium binnen een zeer brede pin -junctie en worden elektronen en gaten geïnjecteerd. Dergelijke modulatoren zijn echter langzamer, meestal met een bandbreedte van 500 MHz, omdat vrije elektronen en gaten langer duren om na injectie te recombineren. Daarom wordt deze structuur vaak gebruikt als een variabele optische verzwakker (VOA) in plaats van een modulator. In een carrier -uitputtingmodulator bevindt het lichtgedeelte zich in een smalle PN -junctie en wordt de uitputtingbreedte van de PN -aansluiting gewijzigd door een aangelegd elektrisch veld. Deze modulator kan werken met snelheden van meer dan 50 GB/s, maar heeft een hoge verlies van het inbrengen van de achtergrond. De typische VPIL is 2 V-CM. Een metaaloxide halfgeleider (MOS) (eigenlijk halfgeleider-oxide-halfgeleider) modulator bevat een dunne oxidelaag in een PN-aansluiting. Het maakt wat carrieraccumulatie en drageruitputting mogelijk, waardoor een kleinere VπL van ongeveer 0,2 V-cm mogelijk is, maar heeft het nadeel van hogere optische verliezen en hogere capaciteit per lengte-eenheid. Bovendien zijn er SIGE -elektrische absorptiemodulatoren op basis van SIGE (silicium germanium legering) bandrandbeweging. Bovendien zijn er grafeenmodulatoren die afhankelijk zijn van grafeen om te schakelen tussen absorberende metalen en transparante isolatoren. Deze demonstreren de diversiteit van toepassingen van verschillende mechanismen om optische signaalmodulatie met een hoge snelheid te bereiken.

Figuur 10: (a) dwarsdoorsnede diagram van verschillende siliciumgebaseerde optische modulatorontwerpen en (b) dwarsdoorsnede diagram van optische detectorontwerpen.

Verschillende lichtdetectoren op basis van siliconen worden getoond in figuur 10b. Het absorberende materiaal is germanium (GE). GE kan licht absorberen bij golflengten tot ongeveer 1,6 micron. Links wordt links weergegeven, is vandaag de commercieel succesvolle pinstructuur. Het bestaat uit P-type gedoteerd silicium waarop GE groeit. GE en SI hebben een mismatch van 4% rooster, en om de dislocatie te minimaliseren, wordt een dunne laag sige voor het eerst gekweekt als een bufferlaag. N-type doping wordt uitgevoerd op de bovenkant van GE Layer. Een fotodiode van metaal-halfgeleider-metaal (MSM) wordt in het midden getoond en een APD (lawine fotodetector) wordt aan de rechterkant weergegeven. Het lawinegebied in APD bevindt zich in SI, dat lagere ruiskenmerken heeft in vergelijking met het lawinegebied in elementaire materialen van groep III-V.

Momenteel zijn er geen oplossingen met duidelijke voordelen bij het integreren van optische versterking met siliciumfotonica. Afbeelding 11 toont verschillende mogelijke opties georganiseerd op assemblagiveau. Helemaal links zijn monolithische integraties die het gebruik van epitaxiaal gekweekte germanium (GE) omvatten als een optisch versterkingsmateriaal, erbium-gedoteerde (ER) glasgolfgeleiders (zoals Al2O3, die optisch pompen vereist) en epitaxiaal gekweekte galliumarsenide (Gaas) kwantumdots. De volgende kolom is wafel om montage te wafel, waarbij oxide en organische binding in de III-V-groepswinstregio betrokken zijn. De volgende kolom is chip-to-wafer-assemblage, waarbij de III-V-groepschip in de holte van de siliciumwafer wordt ingesloten en vervolgens de golfgeleiderstructuur bewerkt. Het voordeel van deze eerste benadering van drie kolommen is dat het apparaat volledig functioneel kan worden getest in de wafer voordat het snijdt. De meest rechts kolom is chip-to-chip-assemblage, inclusief directe koppeling van siliciumchips aan III-V-groepscips, evenals koppeling via lens en roosterkoppelingen. De trend naar commerciële toepassingen gaat van rechts naar de linkerkant van de grafiek naar meer geïntegreerde en geïntegreerde oplossingen.

Figuur 11: Hoe optische versterking is geïntegreerd in fotonica op basis van siliconen. Terwijl u van links naar rechts beweegt, beweegt het productiepunt geleidelijk terug in het proces.