Element actiu fotònic de silici

Element actiu fotònic de silici

Els components actius fotònics 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. Tots els components actuals basats en silicimoduladors òpticses basen en l'efecte de portador lliure de plasma. Canviar el nombre d'electrons lliures i forats en un material de silici mitjançant mètodes de dopatge, elèctrics o òptics pot canviar el seu índex de refracció complex, un procés que es mostra a les equacions (1,2) obtingudes ajustant dades de Soref i Bennett a una longitud d'ona de 1550 nanòmetres. En comparació amb els electrons, els forats causen una proporció més gran dels canvis d'índex de refracció real i imaginari, és a dir, poden produir un canvi de fase més gran per a un canvi de pèrdua determinat, de manera que enModuladors de 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 portadora, la llum es troba en el silici intrínsec dins d'una unió pin molt ampla, i s'injecten electrons i forats. Tanmateix, aquests moduladors són més lents, normalment amb un ample 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) en lloc de modulador. En un modulador d'esgotament de portadora, la porció de llum es troba en una unió pn estreta, i l'amplada d'esgotament de la unió pn es modifica mitjançant un camp elèctric aplicat. Aquest modulador pot funcionar a velocitats superiors a 50 Gb/s, però té una pèrdua d'inserció de fons elevada. El vpil típic és de 2 V-cm. Un modulador de semiconductor d'òxid metàl·lic (MOS) (en realitat semiconductor-òxid-semiconductor) conté una fina capa d'òxid en una unió pn. Permet una certa acumulació de portadors, així com l'esgotament del portador, permetent una VπL més petita d'uns 0,2 V-cm, però té el desavantatge de pèrdues òptiques més elevades i una capacitat per unitat de longitud més alta. A més, hi ha moduladors d'absorció elèctrica de SiGe basats en el moviment de la vora de la banda de SiGe (aliatge de silici i 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 baixa pèrdua.

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

Diversos detectors de llum basats en silici es mostren a la Figura 10B. El material absorbent és germani (Ge). El Ge és capaç d'absorbir llum a longituds d'ona de fins a aproximadament 1,6 micres. A l'esquerra es mostra l'estructura de pin amb més èxit comercial actualment. Està composta de silici dopat de tipus P sobre el qual creix el Ge. El Ge i el Si tenen un desajust de xarxa del 4% i, per 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 de Ge. Al centre es mostra un fotodíode metall-semiconductor-metall (MSM) i un APD (fotodetector d'allaus) es mostra a la dreta. La regió d'allaus en APD es troba en Si, que té característiques de soroll més baixes en comparació amb la regió d'allaus en 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 d'assemblatge. A l'extrem esquerre hi ha integracions monolítiques que inclouen l'ús de germani (Ge) crescut epitaxialment com a material de guany òptic, guies d'ona de vidre dopades amb erbi (Er) (com ara Al2O3, que requereix bombament òptic) i punts quàntics d'arseniur de gal·li (GaAs) crescuts epitaxialment. La següent columna és l'assemblatge oblia a oblia, que implica enllaços d'òxid i orgànics a la regió de guany del grup III-V. La següent columna és l'assemblatge xip a oblia, que implica la incrustació del xip del grup III-V a la cavitat de l'oblia de silici i després el mecanitzat de l'estructura de la guia d'ona. L'avantatge d'aquest primer enfocament de tres columnes és que el dispositiu es pot provar completament funcionalment dins de l'oblia abans de tallar-lo. La columna de més a la dreta és l'assemblatge xip a xip, inclòs l'acoblament directe de xips de silici a xips del grup III-V, així com l'acoblament mitjançant acobladors de lent i reixeta. La tendència cap a les aplicacions comercials es mou de la dreta a l'esquerra del gràfic cap a solucions més integrades i integrades.

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