Aktívny prvok kremíkovej fotoniky

Aktívny prvok kremíkovej fotoniky

Aktívne zložky fotoniky odkazujú špecificky na zámerne navrhnuté dynamické interakcie medzi svetlom a hmotou. Typickou aktívnou zložkou fotoniky je optický modulátor. Všetky súčasné na báze kremíkaoptické modulátorysú založené na účinku nosiča bez plazmy. Zmena počtu voľných elektrónov a dier v kremíkovom materiáli dopingovými, elektrickými alebo optickými metódami môže zmeniť jeho komplexný index lomu, čo je proces znázornený v rovniciach (1,2) získaných prispôsobením údajov od Sorefa a Bennetta pri vlnovej dĺžke 1550 nanometrov. . V porovnaní s elektrónmi spôsobujú diery väčší podiel skutočných a imaginárnych zmien indexu lomu, to znamená, že môžu spôsobiť väčšiu fázovú zmenu pri danej zmene straty, takže vMach-Zehnderove modulátorya kruhových modulátorov, je zvyčajne výhodné použiť na výrobu dierfázové modulátory.

Rôznekremíkový (Si) modulátortypy sú znázornené na obrázku 10A. V modulátore vstrekovania nosiča je svetlo umiestnené vo vnútornom kremíku vo veľmi širokom kolíčkovom spojení a vstrekujú sa elektróny a otvory. Takéto modulátory sú však pomalšie, typicky so šírkou pásma 500 MHz, pretože voľným elektrónom a dieram trvá rekombinácia po injekcii dlhšie. Preto sa táto štruktúra často používa skôr ako variabilný optický atenuátor (VOA) než ako modulátor. V modulátore vyčerpania nosiča je svetelná časť umiestnená v úzkom pn prechode a šírka vyčerpania pn prechodu sa mení aplikovaným elektrickým poľom. Tento modulátor môže pracovať rýchlosťou presahujúcou 50 Gb/s, ale má vysokú stratu vloženia na pozadí. Typický vpil je 2 V-cm. Modulátor z oxidu kovu (MOS) (v skutočnosti polovodič-oxid-polovodič) obsahuje tenkú vrstvu oxidu v pn prechode. Umožňuje určitú akumuláciu nosiča, ako aj vyčerpanie nosiča, čo umožňuje menšie VπL asi 0,2 V-cm, ale má nevýhodu vyšších optických strát a vyššej kapacity na jednotku dĺžky. Okrem toho existujú modulátory elektrickej absorpcie SiGe založené na pohybe okrajov pásu SiGe (zliatina kremíka a germánia). Okrem toho existujú grafénové modulátory, ktoré sa spoliehajú na grafén pri prepínaní medzi absorbčnými kovmi a priehľadnými izolátormi. Tieto demonštrujú rozmanitosť aplikácií rôznych mechanizmov na dosiahnutie vysokorýchlostnej modulácie optického signálu s nízkou stratou.

Obrázok 10: (A) Schéma priečneho rezu rôznych návrhov optických modulátorov na báze kremíka a (B) diagram priečnych rezov návrhov optických detektorov.

Niekoľko detektorov svetla na báze kremíka je znázornených na obrázku 10B. Absorpčným materiálom je germánium (Ge). Ge je schopný absorbovať svetlo pri vlnových dĺžkach až do približne 1,6 mikrónu. Vľavo je znázornená komerčne najúspešnejšia kolíková štruktúra súčasnosti. Skladá sa z dopovaného kremíka typu P, na ktorom rastie Ge. Ge a Si majú 4% nesúlad mriežky a aby sa minimalizovala dislokácia, najprv sa pestuje tenká vrstva SiGe ako vyrovnávacia vrstva. Doping typu N sa vykonáva na vrchu Ge vrstvy. V strede je zobrazená fotodióda kov-polovodič-kov (MSM) a APD (lavínový fotodetektor) je zobrazený vpravo. Oblasť lavín v APD sa nachádza v Si, ktorý má nižšie hlukové charakteristiky v porovnaní s oblasťou lavín v základných materiáloch skupiny III-V.

V súčasnosti neexistujú žiadne riešenia so zjavnými výhodami pri integrácii optického zisku s kremíkovou fotonikou. Obrázok 11 zobrazuje niekoľko možných možností usporiadaných podľa úrovne zostavy. Úplne vľavo sú monolitické integrácie, ktoré zahŕňajú použitie epitaxne pestovaného germánia (Ge) ako materiálu na optický zisk, erbiom dopovaných (Er) sklenených vlnovodov (ako je Al2O3, ktorý vyžaduje optické čerpanie) a epitaxne pestovaného arzenidu gália (GaAs). ) kvantové bodky. Ďalším stĺpcom je zostava plátok na plátok, zahŕňajúca oxidovú a organickú väzbu v oblasti zisku skupiny III-V. Ďalším stĺpcom je zostava čip-to-wafer, ktorá zahŕňa vloženie čipu skupiny III-V do dutiny kremíkového plátku a následné opracovanie štruktúry vlnovodu. Výhodou tohto prístupu s prvými tromi stĺpcami je, že zariadenie možno pred rezaním plne otestovať vo vnútri plátku. V pravom stĺpci je zostava z čipu na čip, vrátane priameho spojenia kremíkových čipov s čipmi skupiny III-V, ako aj spojenia cez šošovkové a mriežkové spojky. Trend ku komerčným aplikáciám sa presúva z pravej na ľavú stranu rebríčka smerom k integrovanejším a integrovanejším riešeniam.

Obrázok 11: Ako je optický zisk integrovaný do fotoniky na báze kremíka. Ako sa pohybujete zľava doprava, výrobný bod vloženia sa v procese postupne posúva späť.