Elemento activo fotónico de silicio

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. Todo a base de silicio actualmoduladores ópticosbaséanse no efecto portador libre de plasma. Cambiar o número de electróns e buratos libres nun material de silicio mediante métodos de dopaxe, eléctricos ou ópticos pode cambiar o seu complexo índice de refracción, un proceso que se mostra nas ecuacións (1,2) obtidas axustando os datos de Soref e Bennett a unha lonxitude de onda de 1550 nanómetros. . En comparación cos electróns, os buratos provocan unha maior proporción dos cambios do índice de refracción real e imaxinario, é dicir, poden producir un cambio de fase maior para un cambio de perda dado, polo que enModuladores Mach-Zehndere moduladores de anel, adoita ser preferible utilizar buratos para facermoduladores de fase.

Os diversosmodulador de silicio (Si).tipos móstranse na Figura 10A. Nun modulador de inxección de portadores, a luz está situada no silicio intrínseco dentro dunha unión de pin moi ampla, 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 úsase a miúdo como atenuador óptico variable (VOA) en lugar de modulador. Nun modulador de esgotamento do portador, a porción lixeira está situada nunha unión pn estreita, e a anchura de esgotamento da unión pn é modificada 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 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 unha certa acumulación de portadores, así como o esgotamento da portadora, permitindo un VπL menor duns 0,2 V-cm, pero ten a desvantaxe de maiores perdas ópticas e maior capacitancia por unidade de lonxitude. Ademais, hai moduladores de absorción eléctrica SiGe baseados no movemento do bordo da banda SiGe (aliación de silicio xermanio). 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 conseguir a modulación do sinal óptico de alta velocidade e baixas perdas.

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 detectores ópticos.

Na Figura 10B móstranse varios detectores de luz baseados en silicio. O material absorbente é o xermanio (Ge). Ge é capaz de absorber a luz en lonxitudes de onda de ata 1,6 micras. Á esquerda móstrase a estrutura de alfileres con máis éxito comercial na actualidade. Está composto por silicio dopado tipo P sobre o que crece Ge. Ge e Si teñen un desaxuste de rede do 4% e, para minimizar a dislocación, primeiro se cultiva unha fina capa de SiGe como capa tampón. O dopaxe tipo N realízase na parte superior da capa Ge. No medio móstrase un fotodiodo 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 características de ruído máis baixas en comparación coa rexión de avalanchas dos materiais elementais do Grupo III-V.

Na actualidade, non existen solucións con vantaxes evidentes na integración da ganancia óptica coa fotónica de silicio. A Figura 11 mostra varias opcións posibles organizadas por nivel de montaxe. No extremo esquerdo están integracións monolíticas que inclúen o uso de xermanio (Ge) cultivado epitaxialmente como material de ganancia óptica, guías de ondas de vidro dopado con erbio (Er) (como Al2O3, que require bombeo óptico) e arseniuro de galio (GaAs) cultivado epitaxialmente. ) puntos cuánticos. A seguinte columna é o conxunto de oblea a oblea, que inclúe a unión de óxidos e orgánicos na rexión de ganancia do grupo III-V. A seguinte columna é a montaxe de chip a oblea, que consiste en incrustar o chip do grupo III-V na cavidade da oblea de silicio e despois mecanizar a estrutura da guía de ondas. A vantaxe deste enfoque de tres primeiras columnas é que o dispositivo pode ser probado completamente funcional dentro da oblea antes de cortar. A columna máis á dereita é o conxunto de chip a chip, incluíndo o acoplamento directo de chips de silicio aos chips do grupo III-V, así como o acoplamento mediante acopladores de lente e reixa. A tendencia cara ás aplicacións comerciais está a moverse do lado dereito ao esquerdo 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.