Siliciumfotonica actief element
Actieve componenten van fotonica verwijzen specifiek naar opzettelijk ontworpen dynamische interacties tussen licht en materie. Een typisch actief onderdeel van fotonica is een optische modulator. Alle huidige op silicium gebaseerdoptische modulatorenzijn gebaseerd op het plasma-vrije dragereffect. Het veranderen van het aantal vrije elektronen en gaten in een siliciummateriaal door dotering, elektrische of optische methoden kan de complexe brekingsindex ervan veranderen, een proces dat wordt weergegeven in vergelijkingen (1,2) verkregen door gegevens van Soref en Bennett te passen op een golflengte van 1550 nanometer . Vergeleken met elektronen veroorzaken gaten een groter deel van de reële en denkbeeldige veranderingen in de brekingsindex, dat wil zeggen dat ze bij een gegeven verliesverandering een grotere faseverandering kunnen veroorzaken.Mach-Zehnder-modulatorenen ringmodulatoren, verdient het meestal de voorkeur om gaten te makenfase modulatoren.
De verschillendesilicium (Si) modulatortypen worden getoond in Figuur 10A. In een dragerinjectiemodulator bevindt licht zich in intrinsiek silicium binnen een zeer brede pinovergang, en worden elektronen en gaten geïnjecteerd. Dergelijke modulators zijn echter langzamer, doorgaans met een bandbreedte van 500 MHz, omdat het langer duurt voordat vrije elektronen en gaten na injectie opnieuw combineren. Daarom wordt deze structuur vaak gebruikt als een variabele optische verzwakker (VOA) in plaats van als modulator. In een draaggolfuitputtingsmodulator bevindt het lichtgedeelte zich in een smalle pn-overgang, en wordt de uitputtingsbreedte van de pn-overgang veranderd door een aangelegd elektrisch veld. Deze modulator kan werken met snelheden van meer dan 50 Gb/s, maar heeft een hoog achtergrondinvoegverlies. De typische vpil is 2 V-cm. Een metaaloxide-halfgeleider (MOS) (eigenlijk halfgeleider-oxide-halfgeleider) modulator bevat een dunne oxidelaag in een pn-overgang. Het maakt enige accumulatie van dragers en uitputting van de drager mogelijk, waardoor een kleinere VπL van ongeveer 0,2 V-cm mogelijk is, maar heeft het nadeel van hogere optische verliezen en een hogere capaciteit per lengte-eenheid. Daarnaast zijn er SiGe elektrische absorptiemodulatoren gebaseerd op SiGe (silicium-germaniumlegering) bandrandbeweging. Daarnaast zijn er grafeenmodulatoren die afhankelijk zijn van grafeen om te schakelen tussen absorberende metalen en transparante isolatoren. Deze demonstreren de diversiteit aan toepassingen van verschillende mechanismen om optische signaalmodulatie met hoge snelheid en weinig verlies te bereiken.
Figuur 10: (A) Dwarsdoorsnedediagram van verschillende op silicium gebaseerde optische modulatorontwerpen en (B) Dwarsdoorsnedediagram van optische detectorontwerpen.
In figuur 10B worden verschillende op silicium gebaseerde lichtdetectoren getoond. Het absorberende materiaal is germanium (Ge). Ge kan licht absorberen met golflengten tot ongeveer 1,6 micron. Links ziet u de commercieel meest succesvolle pinstructuur van dit moment. Het is samengesteld uit gedoteerd silicium van het P-type waarop Ge groeit. Ge en Si hebben een roostermismatch van 4% en om de dislocatie te minimaliseren wordt eerst een dunne laag SiGe gegroeid als bufferlaag. N-type doping wordt uitgevoerd bovenop de Ge-laag. In het midden wordt een metaal-halfgeleider-metaal (MSM) fotodiode weergegeven, en een APD (lawine Fotodetector) wordt rechts weergegeven. Het lawinegebied in APD bevindt zich in Si, dat lagere geluidskenmerken heeft vergeleken met het lawinegebied in elementaire materialen uit Groep III-V.
Op dit moment zijn er geen oplossingen met duidelijke voordelen bij het integreren van optische versterking met siliciumfotonica. Figuur 11 toont verschillende mogelijke opties, gerangschikt per montageniveau. Helemaal links bevinden zich monolithische integraties die het gebruik omvatten van epitaxiaal gegroeid germanium (Ge) als materiaal voor optische versterking, erbium-gedoteerde (Er) glasgolfgeleiders (zoals Al2O3, waarvoor optisch pompen vereist is) en epitaxiaal gegroeid galliumarsenide (GaAs). ) kwantumdots. De volgende kolom is de assemblage van wafer tot wafer, waarbij oxide- en organische binding in het versterkingsgebied van de III-V-groep betrokken zijn. De volgende kolom is de chip-naar-wafer-assemblage, waarbij de III-V-groepchip in de holte van de siliciumwafel wordt ingebed en vervolgens de golfgeleiderstructuur wordt bewerkt. Het voordeel van deze eerste benadering met drie kolommen is dat het apparaat volledig functioneel kan worden getest in de wafer voordat het wordt gesneden. De meest rechtse kolom is de chip-naar-chip-assemblage, inclusief directe koppeling van siliciumchips aan III-V-groepchips, evenals koppeling via lens- en roosterkoppelingen. De trend richting commerciële toepassingen beweegt van de rechter- naar de linkerkant van de grafiek naar meer geïntegreerde en geïntegreerde oplossingen.
Figuur 11: Hoe optische versterking wordt geïntegreerd in op silicium gebaseerde fotonica. Terwijl u van links naar rechts beweegt, schuift het productie-invoegpunt geleidelijk terug in het proces.
Posttijd: 22 juli 2024