Actief element in siliciumfotonica
Actieve componenten in fotonica verwijzen specifiek naar doelbewust ontworpen dynamische interacties tussen licht en materie. Een typische actieve component van fotonica is een optische modulator. Alle huidige siliciumgebaseerdeoptische modulatorenzijn gebaseerd op het plasmavrije-dragereffect. Het veranderen van het aantal vrije elektronen en gaten in een siliciummateriaal door middel van doping, elektrische of optische methoden kan de complexe brekingsindex veranderen, een proces dat wordt weergegeven in de vergelijkingen (1, 2) die zijn verkregen door het fitten van gegevens van Soref en Bennett bij een golflengte van 1550 nanometer. Vergeleken 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 produceren voor een gegeven verliesverandering, dus inMach-Zehnder-modulatorenen ringmodulatoren, wordt er meestal de voorkeur aan gegeven om gaten te gebruiken omfasemodulatoren.
De verschillendesilicium (Si) modulatorDe typen worden weergegeven in Figuur 10A. In een carrier injection modulator bevindt het licht zich in intrinsiek silicium binnen een zeer brede pinjunctie, en worden elektronen en gaten geïnjecteerd. Dergelijke modulatoren zijn echter langzamer, meestal met een 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 carrier depletion modulator bevindt het lichtgedeelte zich in een smalle pn-junctie, en de depletiebreedte van de pn-junctie wordt veranderd door een aangelegd elektrisch veld. Deze modulator kan werken met snelheden van meer dan 50 Gb/s, maar heeft een hoog achtergrondinsertieverlies. De typische vpil is 2 V-cm. Een metaaloxidehalfgeleider (MOS) (eigenlijk halfgeleider-oxide-halfgeleider) modulator bevat een dunne oxidelaag in een pn-junctie. Het maakt zowel accumulatie als depletie van ladingdragers mogelijk, wat een kleinere VπL van ongeveer 0,2 V-cm mogelijk maakt, 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 randbeweging van de SiGe-band (siliciumgermaniumlegering). Daarnaast zijn er grafeenmodulatoren die gebruikmaken van grafeen om te schakelen tussen absorberende metalen en transparante isolatoren. Deze demonstreren de diversiteit aan toepassingen van verschillende mechanismen voor snelle optische signaalmodulatie met laag verlies.
Figuur 10: (A) Diagram van een dwarsdoorsnede van verschillende optische modulatorontwerpen op basis van silicium en (B) diagram van een dwarsdoorsnede van optische detectorontwerpen.
Figuur 10B toont verschillende lichtdetectoren op basis van silicium. Het absorberende materiaal is germanium (Ge). Ge kan licht absorberen met golflengten tot ongeveer 1,6 micron. Links is de commercieel meest succesvolle pinstructuur van dit moment te zien. Deze is samengesteld uit P-type gedoteerd silicium waarop Ge groeit. Ge en Si hebben een roostermismatch van 4%, en om de dislocatie te minimaliseren, wordt eerst een dunne laag SiGe als bufferlaag aangebracht. N-type doping wordt toegepast op de bovenkant van de Ge-laag. Een metaal-halfgeleider-metaal (MSM) fotodiode is in het midden te zien, en een APD (lawine fotodetector) wordt rechts weergegeven. Het lawinegebied in APD bevindt zich in Si, dat lagere ruiskarakteristieken heeft vergeleken met het lawinegebied in elementaire materialen 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, gerangschikt per assemblageniveau. Helemaal links staan monolithische integraties, waaronder het gebruik van epitaxiaal gegroeid germanium (Ge) als optisch versterkingsmateriaal, erbiumgedoteerde (Er) glazen golfgeleiders (zoals Al2O3, waarvoor optische pomping vereist is) en epitaxiaal gegroeide galliumarsenide (GaAs) quantum dots. De volgende kolom toont wafer-naar-wafer-assemblage, waarbij oxide- en organische bindingen in het versterkingsgebied van de III-V-groep betrokken zijn. De volgende kolom toont chip-naar-wafer-assemblage, waarbij de chip uit de III-V-groep in de holte van de siliciumwafer wordt ingebed en vervolgens de golfgeleiderstructuur wordt bewerkt. Het voordeel van deze eerste driekolomsbenadering is dat het apparaat volledig functioneel in de wafer kan worden getest voordat het wordt gesneden. De meest rechtse kolom toont chip-naar-chip-assemblage, inclusief directe koppeling van siliciumchips aan chips uit de III-V-groep, evenals koppeling via lens- en roosterkoppelingen. De trend richting commerciële toepassingen verschuift van de rechterkant van het diagram naar de linkerkant, in de richting van meer geïntegreerde en geïntegreerde oplossingen.
Figuur 11: Hoe optische versterking wordt geïntegreerd in fotonica op basis van silicium. Naarmate u van links naar rechts beweegt, verschuift het productie-invoegpunt geleidelijk terug in het proces.
Plaatsingstijd: 22-07-2024