Kiselfotonik aktivt element
Fotonikaktiva komponenter hänvisar specifikt till avsiktligt utformade dynamiska interaktioner mellan ljus och materia. En typisk aktiv komponent av fotonik är en optisk modulator. Alla nuvarande kiselbaseradeoptiska modulatorerär baserade på plasmafri bärningseffekt. Att ändra antalet fria elektroner och hål i ett kiselmaterial genom doping, elektriska eller optiska metoder kan ändra dess komplexa brytningsindex, en process som visas i ekvationer (1,2) erhållna genom montering av data från Soref och Bennett vid en våglängd av 1550 nanometer. Jämfört med elektroner orsakar hål en större andel av de verkliga och imaginära brytningsindexförändringarna, det vill säga de kan producera en större fasförändring för en given förlustförändring, så iMach-znder-modulatoreroch ringmodulatorer, det är vanligtvis att föredra att använda hål för att görafasmodulatorer.
De olikakiselmodulatorTyper visas i figur 10A. I en bärarinjektionsmodulator är ljus beläget i inneboende kisel i en mycket bred stiftkorsning, och elektroner och hål injiceras. Sådana modulatorer är emellertid långsammare, vanligtvis med en bandbredd på 500 MHz, eftersom fria elektroner och hål tar längre tid att rekombinera efter injektion. Därför används denna struktur ofta som en variabel optisk dämpare (VOA) snarare än en modulator. I en transportmedelsmodulator är den lätta delen belägen i en smal PN -korsning, och utarmningsbredden för PN -korsningen ändras av ett applicerat elektriskt fält. Denna modulator kan fungera med hastigheter som överstiger 50 GB/s, men har en hög bakgrund förlust för insättning. Den typiska VPIL är 2 V-CM. En metalloxid-halvledare (MOS) (faktiskt halvledar-oxid-Semiconductor) -modulator innehåller ett tunt oxidskikt i en PN-korsning. Det tillåter viss bäraransamling såväl som bärarutarmning, vilket möjliggör en mindre VπL på cirka 0,2 V-cm, men har nackdelen med högre optiska förluster och högre kapacitans per enhetslängd. Dessutom finns det SIGE elektriska absorptionsmodulatorer baserade på SIGE (Silicon Germanium Alloy) bandkantrörelse. Dessutom finns det grafenmodulatorer som förlitar sig på grafen för att växla mellan absorberande metaller och transparenta isolatorer. Dessa visar mångfalden av tillämpningar av olika mekanismer för att uppnå höghastighets, lågförlustoptisk signalmodulering.
Figur 10: (a) tvärsnittsdiagram över olika kiselbaserade optiska modulatorkonstruktioner och (b) tvärsnittsdiagram över optiska detektordesign.
Flera kiselbaserade ljusdetektorer visas i figur 10B. Det absorberande materialet är Germanium (GE). GE kan absorbera ljus vid våglängderna ner till cirka 1,6 mikron. Till vänster är den mest kommersiellt framgångsrika stiftstrukturen idag. Det består av p-typ dopat kisel på vilket GE växer på. GE och SI har en 4% gittermatchning, och för att minimera dislokationen odlas ett tunt lager SIGE först som ett buffertskikt. Doping av n-typ utförs på toppen av GE-skiktet. En metodiode (MSM) fotodiode visas i mitten och en APD (lavinfotodetektor) visas till höger. Avalanche-regionen i APD är beläget i SI, som har lägre brusegenskaper jämfört med lavinregionen i grupp III-V Elemental Materials.
För närvarande finns det inga lösningar med uppenbara fördelar med att integrera optisk förstärkning med kiselfotonik. Figur 11 visar flera möjliga alternativ som organiseras efter monteringsnivå. Längst till vänster finns monolitiska integrationer som inkluderar användning av epitaxiellt odlat germanium (GE) som ett optiskt förstärkningsmaterial, erbium-dopade (ER) glasvågledare (såsom Al2O3, som kräver optisk pumpning) och epitaxiellt odlade galliumarsenid (GAA) kvantumpunkter. Nästa kolumn är skiva till skivmontering, som involverar oxid och organisk bindning i III-V-gruppförstärkningsregionen. Nästa kolumn är chip-to-wafer-enhet, som involverar inbäddning av III-V-gruppchipet i kaviteten i kiselskivan och sedan bearbetar vågledarstrukturen. Fördelen med den första tre kolumnmetoden är att enheten kan vara fullt funktionell testad i skivan innan du skär. Den högra kolumnen är chip-till-chip-enhet, inklusive direkt koppling av kiselchips till III-V-gruppchips, samt koppling via lins och gitterkopplare. Trenden mot kommersiella applikationer rör sig från höger till vänster sida av diagrammet mot mer integrerade och integrerade lösningar.
Bild 11: Hur optisk förstärkning integreras i kiselbaserad fotonik. När du flyttar från vänster till höger rör sig tillverkningspunkten gradvis tillbaka i processen.
Posttid: Jul-22-2024