Силицијумски фотонски активни елемент
Фотонске активне компоненте се односе посебно на намерно дизајниране динамичке интеракције између светлости и материје. Типична активна компонента фотонике је оптички модулатор. Све тренутне компоненте на бази силицијумаоптички модулаторизасноване су на ефекту слободних носилаца плазме. Промена броја слободних електрона и шупљина у силицијумском материјалу допирањем, електричним или оптичким методама може променити његов комплексни индекс преламања, процес приказан у једначинама (1,2) добијеним уклапањем података Сорефа и Бенета на таласној дужини од 1550 нанометара. У поређењу са електронима, шупљине узрокују већи део промена реалног и имагинарног индекса преламања, односно могу произвести већу промену фазе за дату промену губитака, тако да уМах-Цендерови модулатории прстенастих модулатора, обично је пожељно користити рупе за прављењефазни модулатори.
Разнисилицијумски (Si) модулатортипови су приказани на слици 10А. У модулатору са убризгавањем носача, светлост се налази у интринзичном силицијуму унутар веома широког пин споја, а електрони и шупљине се убризгавају. Међутим, такви модулатори су спорији, обично са пропусним опсегом од 500 MHz, јер је слободним електронима и шупљицама потребно дуже време да се рекомбинују након убризгавања. Стога се ова структура често користи као променљиви оптички атенуатор (VOA), а не као модулатор. У модулатору са исцрпљивањем носача, део светлости се налази у уском pn споју, а ширина исцрпљивања pn споја се мења примењеним електричним пољем. Овај модулатор може да ради брзинама већим од 50 Gb/s, али има високе позадинске губитке уметања. Типичан vpil је 2 V-cm. Метал-оксид-полупроводнички (MOS) (заправо полупроводник-оксид-полупроводник) модулатор садржи танак слој оксида у pn споју. Он омогућава извесну акумулацију носача, као и исцрпљивање носача, омогућавајући мањи VπL од око 0,2 V-cm, али има недостатак већих оптичких губитака и већег капацитета по јединици дужине. Поред тога, постоје SiGe модулатори електричне апсорпције засновани на кретању ивица SiGe (легура силицијума и германијума) траке. Поред тога, постоје и графенски модулатори који се ослањају на графен за пребацивање између апсорбујућих метала и транспарентних изолатора. Они демонстрирају разноликост примене различитих механизама за постизање брзе оптичке модулације 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.
На слици 10Б приказано је неколико детектора светлости на бази силицијума. Апсорбујући материјал је германијум (Ge). Ge је у стању да апсорбује светлост на таласним дужинама до око 1,6 микрона. На левој страни је приказана комерцијално најуспешнија структура пинова данас. Састоји се од силицијума допираног P-типа на коме расте Ge. Ge и Si имају неусклађеност решетке од 4%, и да би се минимизирала дислокација, танак слој SiGe се прво узгаја као бафер слој. Допирање N-типа се врши на врху Ge слоја. Фотодиода метал-полупроводник-метал (MSM) је приказана у средини, а АПД (лавински фотодетектор) је приказано десно. Лавинска област у APD се налази у Si, који има ниже карактеристике шума у поређењу са лавинском облашћу у елементарним материјалима групе III-V.
Тренутно не постоје решења са очигледним предностима у интеграцији оптичког појачања са силицијумском фотоником. Слика 11 приказује неколико могућих опција организованих по нивоу склапања. На крајњој левој страни су монолитне интеграције које укључују употребу епитаксијално узгајаног германијума (Ge) као материјала за оптичко појачање, стаклене таласоводе допиране ербијумом (Er) (као што је Al2O3, који захтева оптичко пумпање) и епитаксијално узгајане квантне тачке галијум арсенида (GaAs). Следећа колона је склапање плочице на плочицу, што укључује оксидно и органско везивање у области појачања III-V групе. Следећа колона је склапање чип-на-плитку, што укључује уграђивање чипа III-V групе у шупљину силицијумске плочице, а затим машинску обраду структуре таласовода. Предност овог приступа са прве три колоне је у томе што се уређај може потпуно функционално тестирати унутар плочице пре сечења. Крајња десна колона је склапање чип-на-чип, укључујући директно повезивање силицијумских чипова са чиповима III-V групе, као и повезивање путем сочива и решеткастих спојница. Тренд ка комерцијалним применама се креће са десне на леву страну графикона ка интегрисанијим и интегрисанијим решењима.
Слика 11: Како је оптичко појачање интегрисано у фотонику на бази силицијума. Како се крећете с лева на десно, тачка уметања у производњи се постепено помера уназад током процеса.
Време објаве: 22. јул 2024.