Aktívny prvok kremíkovej fotoniky

Aktívny prvok kremíkovej fotoniky

Aktívne komponenty fotoniky sa konkrétne vzťahujú na zámerne navrhnuté dynamické interakcie medzi svetlom a hmotou. Typickým aktívnym komponentom fotoniky je optický modulátor. Všetky súčasné komponenty na báze kremíka...optické modulátorysú založené na efekte voľných nosičov plazmy. Zmena počtu voľných elektrónov a dier v kremíkovom materiáli dopovaním, elektrickými alebo optickými metódami môže zmeniť jeho komplexný index lomu, čo je proces znázornený v rovniciach (1, 2) získaných fitovaním údajov od Sorefa a Bennetta pri vlnovej dĺžke 1550 nanometrov. V porovnaní s elektrónmi spôsobujú diery väčší podiel zmien reálneho a imaginárneho indexu lomu, to znamená, že môžu spôsobiť väčšiu fázovú zmenu pri danej zmene strát, takže vMach-Zehnderove modulátorya kruhové modulátory, zvyčajne sa uprednostňuje použitie otvorov na vytvoreniefázové modulátory.

Rôznekremíkový (Si) modulátorTypy sú znázornené na obrázku 10A. V modulátore s injekciou nosičov náboja sa svetlo nachádza vo vnútornom kremíku vo veľmi širokom pinovom prechode a vstrekujú sa elektróny a diery. Takéto modulátory sú však pomalšie, zvyčajne so šírkou pásma 500 MHz, pretože voľné elektróny a diery sa po injekcii rekombinujú dlhšie. Preto sa táto štruktúra často používa ako variabilný optický atenuátor (VOA) a nie ako modulátor. V modulátore s depleciou nosičov náboja sa svetelná časť nachádza v úzkom pn prechode a šírka deplecie pn prechodu sa mení aplikovaným elektrickým poľom. Tento modulátor môže pracovať rýchlosťami nad 50 Gb/s, ale má vysoké vložené straty pozadia. Typický vpil je 2 V-cm. Modulátor typu polovodič-oxid-polovodič (MOS) (v skutočnosti polovodič-oxid-polovodič) obsahuje tenkú vrstvu oxidu v pn prechode. Umožňuje určitú akumuláciu nosičov náboja, ako aj depleciu nosičov, čo umožňuje menšie VπL približne 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 pásma SiGe (zliatina kremíka a germánia). Okrem toho existujú grafénové modulátory, ktoré sa spoliehajú na grafén na prepínanie medzi absorbujúcimi kovmi a priehľadnými izolantmi. Tieto demonštrujú rozmanitosť aplikácií rôznych mechanizmov na dosiahnutie vysokorýchlostnej modulácie optického signálu s nízkymi stratami.

Obrázok 10: (A) Prierezový diagram rôznych návrhov optických modulátorov na báze kremíka a (B) prierezový diagram návrhov optických detektorov.

Na obrázku 10B je znázornených niekoľko detektorov svetla na báze kremíka. Absorpčným materiálom je germánium (Ge). Ge je schopné absorbovať svetlo s vlnovými dĺžkami až do približne 1,6 mikrónu. Vľavo je znázornená komerčne najúspešnejšia kolíková štruktúra súčasnosti. Je zložená z kremíka dopovaného typu P, na ktorom rastie Ge. Ge a Si majú 4 % mriežkový nesúlad a aby sa minimalizovala dislokácia, najprv sa ako tlmiaca vrstva vypestuje tenká vrstva SiGe. Dopovanie typu N sa vykonáva na vrchu vrstvy Ge. V strede je znázornená fotodióda kov-polovodič-kov (MSM) a APD (lavínový fotodetektor) je zobrazená vpravo. Lavínová oblasť v APD sa nachádza v Si, ktorý má nižšie šumové charakteristiky v porovnaní s lavínovou oblasťou v elementárnych materiáloch skupiny III-V.

V súčasnosti neexistujú žiadne riešenia so zjavnými výhodami v integrácii optického zosilnenia s kremíkovou fotonikou. Obrázok 11 zobrazuje niekoľko možných možností usporiadaných podľa úrovne montáže. Úplne vľavo sú monolitické integrácie, ktoré zahŕňajú použitie epitaxne pestovaného germánia (Ge) ako optického zosilňovacieho materiálu, sklenené vlnovody dopované erbiom (Er) (ako napríklad Al2O3, ktorý vyžaduje optické čerpanie) a epitaxne pestované kvantové bodky z arsenidu gália (GaAs). Ďalší stĺpec je montáž doštičky na doštičku, ktorá zahŕňa oxidové a organické väzby v oblasti zosilnenia skupiny III-V. Ďalší stĺpec je montáž čip na doštičku, ktorá zahŕňa vloženie čipu skupiny III-V do dutiny kremíkového doštičky a následné obrábanie štruktúry vlnovodu. Výhodou tohto prístupu s prvými tromi stĺpcami je, že zariadenie je možné pred rezaním plne funkčne otestovať vo vnútri doštičky. Stĺpec úplne vpravo je montáž čip na čip, vrátane priameho prepojenia kremíkových čipov s čipmi skupiny III-V, ako aj prepojenia prostredníctvom šošovkových a mriežkových spojok. Trend smerom ku komerčným aplikáciám sa posúva z pravej na ľavú stranu grafu smerom k integrovanejším a integrovanejším riešeniam.

Obrázok 11: Ako je optický zisk integrovaný do fotoniky na báze kremíka. Pri pohybe zľava doprava sa bod vkladania do výroby postupne posúva späť v procese.