Elemento activo de fotónica de silicio

Elemento activo de fotónica de silicio

Os compoñentes activos de fotónica refírense específicamente ás interaccións dinámicas deseñadas intencionadamente entre a luz e a materia. Un compoñente activo típico da fotónica é un modulador óptico. Todo o actual base de silicioModuladores ópticosbaséanse no efecto portador libre de plasma. Cambiar o número de electróns e buracos libres nun material de silicio mediante dopaxe, métodos eléctricos ou ópticos pode cambiar o seu índice de refracción complexo, un proceso mostrado nas ecuacións (1,2) obtidas por adaptación de datos de SORF e Bennett a unha lonxitude de onda de 1550 nanómetros. En comparación cos electróns, os buracos provocan unha maior proporción dos cambios de índice de refracción reais e imaxinarios, é dicir, poden producir un cambio de fase maior para un determinado cambio de perda, polo queModuladores de Mach-Zehndere moduladores de aneis, normalmente prefírese usar buracos para facerModuladores de fase.

Os distintosModulador de silicio (SI)Os tipos móstranse na figura 10a. Nun modulador de inxección de portador, a luz está situada en silicio intrínseco dentro dunha unión de pasadores moi ancha e inxectanse electróns e buracos. Non obstante, tales moduladores son máis lentos, normalmente cun ancho de banda de 500 MHz, porque os electróns e os buracos libres tardan máis en recombinarse despois da inxección. Polo tanto, esta estrutura úsase a miúdo como atenuador óptico variable (VOA) en vez de modulador. Nun modulador de esgotamento do transportista, a porción de luz está situada nunha estreita unión PN, e o ancho de esgotamento da unión PN cambia por 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 típico VPIL é de 2 V-CM. Un modulador de semiconductor de óxido metálico (MOS) (realmente semiconductor-óxido-semiconductor) contén unha capa fina de óxido nunha unión PN. Permite algunha acumulación de transportistas así como o esgotamento do portador, permitindo un VπL menor de aproximadamente 0,2 V-CM, pero ten a desvantaxe de maiores perdas ópticas e unha maior capacitancia por unidade. Ademais, hai moduladores de absorción eléctrica SIGE baseados no movemento de borde de banda SIGE (aliaxe de xermanio de silicio). Ademais, hai 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 de sinal óptico de alta velocidade de baixa perda.

Figura 10: (a) Diagrama de sección transversal de varios deseños de moduladores ópticos baseados en silicio e (b) diagrama de sección transversal de deseños de detector óptico.

Na figura 10b móstranse varios detectores de luz baseados en silicio. O material absorbente é xermanio (GE). GE é capaz de absorber a luz ás lonxitudes de onda ata aproximadamente 1,6 micras. Na esquerda aparece a estrutura de pin máis exitosa comercial hoxe. Está composto por silicio dopado tipo P sobre o que medra GE. GE e SI teñen un desaxuste do 4% de celosía e, para minimizar a luxación, unha capa fina de sige cultívase por primeira vez como capa de tampón. A dopaxe tipo N realízase na parte superior da capa GE. No medio móstrase un fotodiodo metálico-metal-metal (MSM) e un APD (fotodetector de avalancha) móstrase á dereita. A rexión de avalancha en APD está situada en SI, que ten características de ruído máis baixas en comparación coa rexión de avalancha en materiais elementais do grupo III-V.

Na actualidade, non hai solucións con vantaxes obvias na integración da ganancia óptica coa fotónica de silicio. A figura 11 mostra varias posibles opcións organizadas por nivel de montaxe. Na extrema esquerda hai integracións monolíticas que inclúen o uso de xermanio cultivado epitaxialmente (GE) como material de ganancia óptica, guías de onda de vidro dopadas por erbio (ER) (como Al2O3, que require un bombeo óptico) e os puntos cuánticos de galio (GaAs) epitaxialmente cultivados. A seguinte columna é a oblea para o conxunto de obleas, que implica óxido e unión orgánica na rexión de ganancia de grupo III-V. A seguinte columna é o conxunto de chip-to-wafer, que implica incorporar o chip de grupo III-V na cavidade da oblea de silicio e logo mecanizar a estrutura da guía de ondas. A vantaxe deste primeiro enfoque de tres columnas é que o dispositivo pode ser totalmente funcional probado dentro da oblea antes de cortar. A columna máis dereita é o conxunto de chip a chip, incluído o acoplamiento directo de chips de silicio a chips de grupo III-V, así como acoplamiento a través de lentes e acoplamientos. A tendencia cara ás aplicacións comerciais está a pasar da dereita á parte esquerda do gráfico cara a solucións máis integradas e integradas.

Figura 11: Como a ganancia óptica está integrada na fotónica a base de silicio. A medida que se move de esquerda a dereita, o punto de inserción de fabricación volve gradualmente no proceso.