Силицијум фотоника активни елемент

Силицијум фотоника активни елемент

Активне компоненте фотонике се посебно односе на намерно дизајниране динамичке интеракције између светлости и материје. Типична активна компонента фотонике је оптички модулатор. Све актуелне на бази силицијумаоптички модулаторизасновани су на ефекту носиоца без плазме. Промена броја слободних електрона и рупа у силицијумском материјалу допингом, електричним или оптичким методама може променити његов комплексни индекс преламања, процес приказан у једначинама (1,2) добијеним уклапањем података од Сорефа и Беннетта на таласној дужини од 1550 нанометара . У поређењу са електронима, рупе изазивају већи удео реалних и имагинарних промена индекса преламања, односно могу произвести већу промену фазе за дату промену губитка, тако да уМах-Зендер модулатории прстенасти модулатори, обично је пожељно користити рупе за прављењефазни модулатори.

Различитихсилицијумски (Си) модулатортипови су приказани на слици 10А. У модулатору за убризгавање носача, светлост се налази у унутрашњем силицијуму унутар веома широког споја иглица, а електрони и рупе се убризгавају. Међутим, такви модулатори су спорији, обично са пропусним опсегом од 500 МХз, јер је слободним електронима и рупама потребно дуже да се рекомбинују након убризгавања. Због тога се ова структура често користи као променљиви оптички атенуатор (ВОА), а не као модулатор. У модулатору осиромашења носиоца, светлосни део се налази у уском пн споју, а ширина исцрпљивања пн споја се мења примењеним електричним пољем. Овај модулатор може да ради при брзинама већим од 50Гб/с, али има велики губитак позадинског уметања. Типичан впил је 2 В-цм. Модулатор метал-оксидних полупроводника (МОС) (заправо полупроводник-оксид-полупроводник) садржи танак слој оксида у пн споју. Омогућава акумулацију носиоца, као и исцрпљивање носиоца, омогућавајући мањи ВπЛ од око 0,2 В-цм, али има недостатак већих оптичких губитака и већег капацитета по јединици дужине. Поред тога, постоје СиГе електрични апсорпциони модулатори засновани на СиГе (легура силицијум германијума) померању ивица траке. Поред тога, постоје графенски модулатори који се ослањају на графен за пребацивање између апсорбујућих метала и провидних изолатора. Ово показује разноликост примена различитих механизама за постизање велике брзине модулације оптичког сигнала са малим губицима.

Слика 10: (А) Дијаграм попречног пресека различитих дизајна оптичких модулатора на бази силицијума и (Б) дијаграм попречног пресека дизајна оптичких детектора.

Неколико детектора светлости на бази силицијума приказано је на слици 10Б. Апсорбујући материјал је германијум (Ге). Ге је у стању да апсорбује светлост на таласним дужинама до око 1,6 микрона. На левој страни приказана је комерцијално најуспешнија структура игле данас. Састоји се од допираног силицијума П-типа на коме расте Ге. Ге и Си имају неусклађеност решетке од 4%, а да би се дислокација свела на минимум, танак слој СиГе се прво узгаја као пуферски слој. Допирање Н-типа се врши на врху Ге слоја. У средини је приказана фотодиода метал-полупроводник-метал (МСМ), а АПД (аваланцхе Пхотодетецтор) је приказан на десној страни. Подручје лавине у АПД налази се у Си, који има ниже карактеристике буке у поређењу са регионом лавине у елементарним материјалима групе ИИИ-В.

Тренутно не постоје решења са очигледним предностима у интеграцији оптичког појачања са силицијумском фотоником. Слика 11 приказује неколико могућих опција организованих по нивоу склопа. Крајње лево су монолитне интеграције које укључују употребу епитаксијално узгојеног германијума (Ге) као материјала за оптичко појачање, стаклених таласовода допираних ербијумом (Ер) (као што је Ал2О3, који захтева оптичко пумпање) и епитаксијално узгојеног галијум арсенида (ГаАс ) квантне тачке. Следећа колона је монтажа плочице на плочицу, која укључује оксидно и органско повезивање у региону појачања ИИИ-В групе. Следећа колона је монтажа од чипа до плочице, која укључује уградњу чипа групе ИИИ-В у шупљину силицијумске плочице и затим машинску обраду структуре таласовода. Предност овог приступа са прве три колоне је у томе што се уређај може тестирати у потпуности у функцији унутар плочице пре сечења. Крајња десна колона је склоп од чипа до чипа, укључујући директно спајање силицијумских чипова на чипове ИИИ-В групе, као и спајање преко сочива и спојница за решетке. Тренд ка комерцијалним апликацијама се креће са десне на леву страну графикона ка интегрисанијим и интегрисанијим решењима.

Слика 11: Како је оптичко појачање интегрисано у фотонику засновану на силикону. Како се крећете с лева на десно, производна тачка уметања се постепено помера назад у процесу.