Silikonfotonik aktivt element
Fotonikens aktiva komponenter hänvisar specifikt till avsiktligt utformade dynamiska interaktioner mellan ljus och materia. En typisk aktiv komponent i fotonik är en optisk modulator. Alla aktuella kiselbaseradeoptiska modulatorerbaseras 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 av 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) modulatortyper visas i figur 10A. I en bärarinjektionsmodulator är ljus beläget i inneboende kisel i 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 rekombinera 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 pålagt elektriskt fält. Denna modulator kan arbeta med hastigheter över 50 Gb/s, men har en hög bakgrundsinsättningsförlust. Den typiska vpilen är 2 V-cm. En metalloxidhalvledare (MOS) (egentligen halvledare-oxid-halvledare) modulator innehåller ett tunt oxidskikt i en pn-övergång. Det tillåter viss bärvågsackumulering såväl som bärvågsutarmning, vilket tillåter 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 (kiselgermaniumlegering) 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, lågförlust optisk signalmodulering.
Figur 10: (A) Tvärsnittsdiagram av olika kiselbaserade optiska modulatorkonstruktioner och (B) tvärsnittsdiagram av optiska detektorkonstruktioner.
Flera silikonbaserade 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 mest kommersiellt framgångsrika stiftstrukturen idag. Den är sammansatt av dopat kisel av P-typ som Ge växer på. Ge och Si har en 4% gittermissanpassning, och för att minimera dislokationen odlas först ett tunt lager av SiGe som ett buffertlager. N-typ dopning utförs på toppen av Ge-skiktet. En metall-halvledar-metall (MSM) fotodiod visas i mitten, och en APD (lavinfotodetektor) visas till höger. Lavinregionen i APD är belägen i Si, som har lägre bulleregenskaper jämfört med lavinregionen i grupp III-V elementära material.
För närvarande finns det inga lösningar med uppenbara fördelar med att integrera optisk förstärkning med kiselfotonik. Figur 11 visar flera möjliga alternativ organiserade efter monteringsnivå. Längst till vänster finns monolitiska integrationer som inkluderar användningen av epitaxiellt odlat germanium (Ge) som ett optiskt förstärkningsmaterial, erbiumdopade (Er) glasvågledare (som Al2O3, som kräver optisk pumpning) och epitaxiellt odlad galliumarsenid (GaAs). ) kvantprickar. Nästa kolumn är wafer till wafer-sammansättning, som involverar oxid och organisk bindning i III-V-gruppförstärkningsregionen. Nästa kolumn är chip-to-wafer-montering, vilket innebär inbäddning av III-V-gruppchipset i kiselskivans hålighet och sedan bearbetning av vågledarstrukturen. Fördelen med detta tillvägagångssätt med tre kolumner är att enheten kan testas fullt ut inuti skivan 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 gitterkopplingar. Trenden mot kommersiella applikationer går från höger till vänster sida av diagrammet mot mer integrerade och integrerade lösningar.
Figur 11: Hur optisk förstärkning integreras i kiselbaserad fotonik. När du flyttar från vänster till höger, flyttas tillverkningsinsättningspunkten gradvis tillbaka i processen.
Posttid: 2024-jul