Silicon Photonics Element actiu

Silicon Photonics Element actiu

Els components actius de la fotònica es refereixen específicament a interaccions dinàmiques dissenyades intencionadament entre la llum i la matèria. Un component actiu típic de la fotònica és un modulador òptic. Tot el silici actual basat en el siliciModuladors òpticses basen en l'efecte portador lliure de plasma. Si canvieu el nombre d’electrons i forats lliures en un material de silici mitjançant doping, els mètodes elèctrics o òptics poden canviar el seu índex de refracció complex, un procés mostrat en equacions (1,2) obtingudes mitjançant la adaptació de dades de SADEF i Bennett a una longitud d’ona de 1550 nanòmetres. En comparació amb els electrons, els forats provoquen una proporció més gran dels canvis d’índex de refracció reals i imaginaris, és a dir, poden produir un canvi de fase més gran per a un canvi de pèrdua determinat, de manera que enModuladors Mach-Zehnderi els moduladors d'anells, 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 portadora, la llum es troba en silici intrínsec dins d’una unió de passadors molt àmplia, i s’injecten electrons i forats. Tot i això, aquests moduladors són més lents, normalment amb una amplada de banda de 500 MHz, perquè els electrons i forats lliures 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 del transportista, la porció de llum es troba en una estreta unió PN i l’amplada d’esgotament de la unió PN es canvia per un camp elèctric aplicat. Aquest modulador pot funcionar a velocitats superiors a 50 GB/s, però té una elevada pèrdua d’inserció de fons. El VPIL típic és de 2 V-CM. Un modulador de semiconductors d'òxid metàl·lic (MOS) (en realitat semiconductor-òxid-semiconductor) conté una capa d'òxid prim en una unió PN. Permet una acumulació de portadors i un esgotament del portador, permetent un Vπl menor d’aproximadament 0,2 V-CM, però té l’inconvenient de pèrdues òptiques més elevades i una capacitat més alta per unitat de longitud. A més, hi ha moduladors d’absorció elèctrica SIGE basats en el moviment de la banda de Sige (Silicon Germanium Aliatge). 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 de senyal òptica d’alta velocitat i baixa pèrdua.

Figura 10: (a) Diagrama transversal de diversos dissenys de moduladors òptics basats en silici i (b) diagrama de secció transversal de dissenys de detector òptic.

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 la llum a les longituds d’ona fins a uns 1,6 micres. Avui es mostra a l'esquerra l'estructura de PIN amb més èxit comercial. Es compon de silici dopat de tipus p sobre el qual creix GE. GE i SI tenen un desajust de gelosia del 4% i, per minimitzar la luxació, es cultiva per primera vegada una capa fina de SIGE com a capa tampó. El dopatge de tipus N es realitza a la part superior de la capa GE. Un fotodiode metàl·lic-semiconductor-metall (MSM) es mostra al centre i un APD (fotodetector d'Avalanche) es mostra a la dreta. La regió d'Avalanche a APD es troba a SI, que té característiques de soroll inferiors en comparació amb la regió d'Avalanche 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 pel nivell de muntatge. A l'extrem esquerre es troben integracions monolítiques que inclouen l'ús de germani cultivat epitaxialment (GE) com a material de guany òptic, guies d'ona de vidre dopades per erbium (com AL2O3, que requereixen bombament òptic), i arsenide de gali cultivat epitaxialment (GAAS). La següent columna és l’hòstia a l’assemblea d’hòsties, que implica l’òxid i l’enllaç orgànic a la regió de guany del grup III-V. La següent columna és el conjunt de chip a wafer, que consisteix en incrustar el xip del grup III-V a la cavitat de la hòstia de silici i després mecanitzar l'estructura de guies d'ona. L’avantatge d’aquest primer enfocament de les tres columnes és que el dispositiu es pot provar completament dins de l’hòstia abans de tallar. La columna més dreta és el conjunt de xip a xip, incloent l'acoblament directe de xips de silici a xips del grup III-V, així com l'acoblament mitjançant lents i acobladors. La tendència cap a les aplicacions comercials es desplaça de la dreta a la part 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 us moveu d’esquerra a dreta, el punt d’inserció de fabricació es torna a avançar en el procés.