Element actiu fotònic de silici

Element actiu fotònic de silici

Els components actius de la fotònica es refereixen específicament a les interaccions dinàmiques dissenyades intencionadament entre la llum i la matèria. Un component actiu típic de la fotònica és un modulador òptic. Tot basat en silici actualmoduladors òpticses basen en l'efecte portador lliure de plasma. Canviar el nombre d'electrons i forats lliures en un material de silici mitjançant mètodes de dopatge, elèctrics o òptics pot canviar el seu complex índex de refracció, un procés que es mostra a les equacions (1, 2) obtingudes ajustant les dades de Soref i Bennett a una longitud d'ona de 1550 nanòmetres. . En comparació amb els electrons, els forats provoquen una proporció més gran dels canvis de l'índex de refracció reals i imaginaris, és a dir, poden produir un canvi de fase més gran per a un canvi de pèrdua donat, de manera que enModuladors Mach-Zehnderi moduladors d'anell, normalment es prefereix utilitzar forats per fermoduladors de fase.

Els diversosmodulador de silici (Si).els tipus es mostren a la figura 10A. En un modulador d'injecció de portadors, la llum es troba en silici intrínsec dins d'una unió de pins molt àmplia i s'injecten electrons i forats. Tanmateix, aquests moduladors són més lents, normalment amb una amplada de banda de 500 MHz, perquè els electrons lliures i els forats triguen més a recombinar-se després de la injecció. Per tant, aquesta estructura s'utilitza sovint com a atenuador òptic variable (VOA) més que com a modulador. En un modulador d'esgotament del portador, la porció de llum es troba en una unió pn estreta i l'amplada d'esgotament de la unió pn es modifica per un camp elèctric aplicat. Aquest modulador pot funcionar a velocitats superiors a 50 Gb/s, però té una gran pèrdua d'inserció de fons. El vpil típic és de 2 V-cm. Un modulador semiconductor d'òxid metàl·lic (MOS) (en realitat semiconductor-òxid-semiconductor) conté una fina capa d'òxid en una unió pn. Permet una mica d'acumulació de portadors, així com l'esgotament de portadors, permetent un VπL més petit d'uns 0,2 V-cm, però té l'inconvenient de pèrdues òptiques més altes i una capacitat més gran per unitat de longitud. A més, hi ha moduladors d'absorció elèctrica SiGe basats en el moviment de banda SiGe (aliatge de silici germani). A més, hi ha moduladors de grafè que es basen en el grafè per canviar entre metalls absorbents i aïllants transparents. Aquests demostren la diversitat d'aplicacions de diferents mecanismes per aconseguir una modulació del senyal òptic d'alta velocitat i baixes pèrdues.

Figura 10: (A) Diagrama de secció transversal de diversos dissenys de moduladors òptics basats en silici i (B) diagrama de secció transversal dels dissenys de detectors òptics.

A la figura 10B es mostren diversos detectors de llum basats en silici. El material absorbent és el germani (Ge). Ge és capaç d'absorbir llum a longituds d'ona d'aproximadament 1,6 micres. A l'esquerra es mostra l'estructura de pins amb més èxit comercial actual. Està compost de silici dopat de tipus P sobre el qual creix Ge. Ge i Si tenen un desajust de gelosia del 4%, i per tal de minimitzar la dislocació, primer es fa créixer una capa fina de SiGe com a capa tampó. El dopatge de tipus N es realitza a la part superior de la capa Ge. Al mig es mostra un fotodíode metall-semiconductor-metall (MSM) i un APD (Fotodetector d'allaus) es mostra a la dreta. La regió d'allaus a APD es troba a Si, que té característiques de soroll més baixes en comparació amb la regió d'allaus dels materials elementals del Grup III-V.

Actualment, no hi ha solucions amb avantatges evidents en la integració del guany òptic amb la fotònica de silici. La figura 11 mostra diverses opcions possibles organitzades per nivell de muntatge. A l'extrem esquerre hi ha integracions monolítices que inclouen l'ús de germani cultivat epitaxialment (Ge) com a material de guany òptic, guies d'ones de vidre dopats amb erbi (Er) (com Al2O3, que requereix bombament òptic) i arsenur de gal·li cultivat epitaxialment (GaAs). ) punts quàntics. La següent columna és un muntatge d'hòstia a hòstia, que implica òxid i enllaç orgànic a la regió de guany del grup III-V. La següent columna és el muntatge de xip a hòstia, que consisteix a incrustar el xip del grup III-V a la cavitat de l'hòstia de silici i després mecanitzar l'estructura de la guia d'ones. L'avantatge d'aquest enfocament de tres primeres columnes és que el dispositiu es pot provar completament funcional dins de l'hòstia abans de tallar-lo. La columna més a la dreta és el muntatge de xip a xip, inclòs l'acoblament directe de xips de silici als xips del grup III-V, així com l'acoblament mitjançant lents i acobladors de reixeta. La tendència cap a les aplicacions comercials s'està movent de la dreta a l'esquerra del gràfic cap a solucions més integrades i integrades.

Figura 11: Com s'integra el guany òptic a la fotònica basada en silici. A mesura que us moveu d'esquerra a dreta, el punt d'inserció de fabricació es mou gradualment enrere en el procés.