Elemento activo fotónico de silicio
Os compoñentes activos fotónicos refírense especificamente a interaccións dinámicas deseñadas intencionadamente entre a luz e a materia. Un compoñente activo típico da fotónica é un modulador óptico. Todos os compoñentes actuais baseados en siliciomoduladores ópticosbaséanse no efecto de portador libre de plasma. Cambiar o número de electróns libres e buratos nun material de silicio mediante dopaxe, métodos eléctricos ou ópticos pode cambiar o seu índice de refracción complexo, un proceso que se mostra nas ecuacións (1,2) obtidas axustando datos de Soref e Bennett a unha lonxitude de onda de 1550 nanómetros. En comparación cos electróns, os buratos causan unha maior proporción dos cambios reais e imaxinarios do índice de refracción, é dicir, poden producir un cambio de fase maior para un cambio de perda dado, polo que enModuladores de Mach-Zehndere moduladores de anel, normalmente prefírese usar buratos para facermoduladores de fase.
Os diversosmodulador de silicio (Si)Os tipos móstranse na Figura 10A. Nun modulador de inxección de portadora, a luz está situada no silicio intrínseco dentro dunha unión de pin moi ancha, e inxéctanse electróns e buratos. Non obstante, estes moduladores son máis lentos, normalmente cun ancho de banda de 500 MHz, porque os electróns libres e os buratos tardan máis en recombinarse despois da inxección. Polo tanto, esta estrutura adoita usarse como un atenuador óptico variable (VOA) en lugar de como un modulador. Nun modulador de esgotamento de portadora, a porción de luz está situada nunha unión pn estreita, e o ancho de esgotamento da unión pn modifícase mediante un campo eléctrico aplicado. Este modulador pode funcionar a velocidades superiores a 50 Gb/s, pero ten unha alta perda de inserción de fondo. O vpil típico é de 2 V-cm. Un modulador de semicondutor de óxido metálico (MOS) (en realidade semicondutor-óxido-semicondutor) contén unha fina capa de óxido nunha unión pn. Permite certa acumulación de portadores, así como o esgotamento dos portadores, o que permite unha VπL menor duns 0,2 V-cm, pero ten a desvantaxe de maiores perdas ópticas e maior capacitancia por unidade de lonxitude. Ademais, existen moduladores de absorción eléctrica de SiGe baseados no movemento do bordo da banda de SiGe (aliaxe de silicio e xermanio). Ademais, existen moduladores de grafeno que dependen do grafeno para cambiar entre metais absorbentes e illantes transparentes. Estes demostran a diversidade de aplicacións de diferentes mecanismos para lograr unha modulación do sinal óptico de alta velocidade e baixa perda.
Figura 10: (A) Diagrama en sección transversal de varios deseños de moduladores ópticos baseados en silicio e (B) diagrama en sección transversal de deseños de detectores ópticos.
Na Figura 10B móstranse varios detectores de luz baseados en silicio. O material absorbente é o xermanio (Ge). O Ge é capaz de absorber luz a lonxitudes de onda de ata aproximadamente 1,6 micras. Móstrase á esquerda a estrutura de pinos con maior éxito comercial na actualidade. Está composta de silicio dopado de tipo P sobre o que crece o Ge. O Ge e o Si teñen un desaxuste de rede do 4 % e, para minimizar a dislocación, primeiro crécese unha capa fina de SiGe como capa tampón. O dopado de tipo N realízase na parte superior da capa de Ge. No centro móstrase un fotodíodo metal-semicondutor-metal (MSM) e un APD (fotodetector de avalanchas) móstrase á dereita. A rexión de avalanchas en APD está situada en Si, que ten unhas características de ruído máis baixas en comparación coa rexión de avalanchas nos materiais elementais dos Grupos III-V.
Na actualidade, non existen solucións con vantaxes obvias para integrar a ganancia óptica coa fotónica de silicio. A figura 11 mostra varias opcións posibles organizadas por nivel de ensamblaxe. No extremo esquerdo están as integracións monolíticas que inclúen o uso de xermanio (Ge) cultivado epitaxialmente como material de ganancia óptica, guías de onda de vidro dopadas con erbio (Er) (como Al2O3, que require bombeo óptico) e puntos cuánticos de arseniuro de galio (GaAs) cultivados epitaxialmente. A seguinte columna é a ensamblaxe de oblea a oblea, que implica unión de óxido e orgánicos na rexión de ganancia do grupo III-V. A seguinte columna é a ensamblaxe de chip a oblea, que implica a incrustación do chip do grupo III-V na cavidade da oblea de silicio e despois o mecanizado da estrutura da guía de ondas. A vantaxe desta primeira aproximación de tres columnas é que o dispositivo pode ser totalmente funcional probado dentro da oblea antes de cortalo. A columna da dereita é a ensamblaxe de chip a chip, incluíndo o acoplamento directo de chips de silicio a chips do grupo III-V, así como o acoplamento a través de acopladores de lentes e reixas. A tendencia cara ás aplicacións comerciais está a desprazarse da dereita á esquerda do gráfico cara a solucións máis integradas e integradas.
Figura 11: Como se integra a ganancia óptica na fotónica baseada en silicio. A medida que se move de esquerda a dereita, o punto de inserción de fabricación retrocede gradualmente no proceso.
Data de publicación: 22 de xullo de 2024