Aktivt element i kiselfotonik
Fotoniska aktiva komponenter hänvisar specifikt till avsiktligt utformade dynamiska interaktioner mellan ljus och materia. En typisk aktiv komponent i fotonik är en optisk modulator. Alla nuvarande kiselbaseradeoptiska modulatorerär baserade på den plasmafria bärareffekten. Att ändra antalet fria elektroner och hål i ett kiselmaterial genom dopning, elektriska eller optiska metoder kan ändra dess komplexa brytningsindex, en process som visas i ekvationerna (1,2) erhållna genom att anpassa data från Soref och Bennett vid en våglängd på 1550 nanometer. Jämfört med elektroner orsakar hål en större andel av de reella och imaginära brytningsindexförändringarna, det vill säga de kan producera en större fasförändring för en given förlustförändring, så iMach-Zehnder-modulatoreroch ringmodulatorer, är det vanligtvis att föredra att använda hål för att görafasmodulatorer.
De olikakisel (Si) modulatorTyperna visas i figur 10A. I en bärvågsinjektionsmodulator är ljus beläget i det intrinsiska kiselet inom en mycket bred stiftövergång, och elektroner och hål injiceras. Sådana modulatorer är dock långsammare, vanligtvis med en bandbredd på 500 MHz, eftersom fria elektroner och hål tar längre tid att rekombineras efter injektion. Därför används denna struktur ofta som en variabel optisk dämpare (VOA) snarare än en modulator. I en bärvågsutarmningsmodulator är ljusdelen belägen i en smal pn-övergång, och utarmningsbredden för pn-övergången ändras av ett applicerat elektriskt fält. Denna modulator kan arbeta med hastigheter över 50 Gb/s, men har en hög bakgrundsinsättningsförlust. Den typiska vpil är 2 V-cm. En metalloxidhalvledarmodulator (MOS) (egentligen halvledar-oxid-halvledare) innehåller ett tunt oxidlager i en pn-övergång. Det tillåter viss ackumulering av bärvågor såväl som utarmning av bärvågor, vilket möjliggör en mindre VπL på cirka 0,2 V-cm, men har nackdelen med högre optiska förluster och högre kapacitans per längdenhet. Dessutom finns det SiGe-elektriska absorptionsmodulatorer baserade på SiGe (kisel-germaniumlegering) bandkantsrörelse. Dessutom finns det grafenmodulatorer som förlitar sig på grafen för att växla mellan absorberande metaller och transparenta isolatorer. Dessa demonstrerar mångfalden av tillämpningar av olika mekanismer för att uppnå höghastighets-, lågförlust-optisk signalmodulering.
Figur 10: (A) Tvärsnittsdiagram över olika kiselbaserade optiska modulatorkonstruktioner och (B) tvärsnittsdiagram över optiska detektorkonstruktioner.
Flera kiselbaserade ljusdetektorer visas i figur 10B. Det absorberande materialet är germanium (Ge). Ge kan absorbera ljus vid våglängder ner till cirka 1,6 mikron. Till vänster visas den kommersiellt mest framgångsrika stiftstrukturen idag. Den består av P-typdopat kisel på vilket Ge växer. Ge och Si har en gittermatchning på 4 %, och för att minimera dislokationen odlas först ett tunt lager SiGe som ett buffertlager. N-typdopning utförs ovanpå Ge-lagret. En metall-halvledare-metall (MSM) fotodiod visas i mitten, och en APD (lavinfotodetektor) visas till höger. Lavinområdet i APD är beläget i Si, vilket har lägre brusegenskaper jämfört med lavinområdet i elementära material i grupp III-V.
För närvarande finns det inga lösningar med uppenbara fördelar när det gäller att integrera optisk förstärkning med kiselfotonik. Figur 11 visar flera möjliga alternativ organiserade efter monteringsnivå. Längst till vänster visas monolitiska integrationer som inkluderar användning av epitaxiellt odlat germanium (Ge) som optiskt förstärkningsmaterial, erbiumdopade (Er) glasvågledare (såsom Al2O3, vilket kräver optisk pumpning) och epitaxiellt odlade galliumarsenid (GaAs) kvantprickar. Nästa kolumn är wafer-till-wafer-montering, som involverar oxid- och organisk bindning i III-V-gruppförstärkningsregionen. Nästa kolumn är chip-till-wafer-montering, vilket innebär att III-V-gruppchipet bäddas in i kiselwaferns hålighet och sedan bearbetas vågledarstrukturen. Fördelen med denna första tre-kolumnsmetod är att enheten kan funktionstestas fullt ut inuti wafern innan den skärs. Kolumnen längst till höger är chip-till-chip-montering, inklusive direkt koppling av kiselchips till III-V-gruppchips, samt koppling via lins- och gitterkopplare. Trenden mot kommersiella tillämpningar går från höger till vänster sida av diagrammet mot mer integrerade och integrerade lösningar.
Figur 11: Hur optisk förstärkning integreras i kiselbaserad fotonik. När man rör sig från vänster till höger flyttas tillverkningsinsättningspunkten gradvis bakåt i processen.
Publiceringstid: 22 juli 2024