Unsur aktif fotonik silikon

Unsur aktif fotonik silikon

Komponén aktif fotonik sacara khusus nujul kana interaksi dinamis anu dirancang sacara ngahaja antara cahaya sareng materi. Komponén aktif khas fotonik nyaéta modulator optik. Sadaya anu ayeuna dumasar kana silikonmodulator optikdumasar kana pangaruh pamawa bébas plasma. Ngarobih jumlah éléktron bébas sareng liang dina bahan silikon ku cara doping, metode listrik atanapi optik tiasa ngarobih indéks bias anu rumit, prosés anu dipidangkeun dina persamaan (1,2) anu diala ku cara nyocogkeun data ti Soref sareng Bennett dina panjang gelombang 1550 nanométer. Dibandingkeun sareng éléktron, liang nyababkeun proporsi anu langkung ageung tina parobahan indéks bias nyata sareng imajinér, nyaéta, aranjeunna tiasa ngahasilkeun parobahan fase anu langkung ageung pikeun parobahan karugian anu dipasihkeun, janten dinaModulator Mach-Zehnderjeung modulator cingcin, biasana leuwih dipikaresep ngagunakeun liang pikeun nyieunmodulator fase.

Rupa-rupamodulator silikon (Si)Jenis-jenisna dipidangkeun dina Gambar 10A. Dina modulator injeksi pamawa, cahaya ayana dina silikon intrinsik dina sambungan pin anu lega pisan, sareng éléktron sareng liang diinjeksikeun. Nanging, modulator sapertos kitu langkung laun, biasana kalayan bandwidth 500 MHz, sabab éléktron sareng liang bébas langkung lami ngahiji deui saatos diinjeksi. Ku alatan éta, struktur ieu sering dianggo salaku atenuator optik variabel (VOA) tinimbang modulator. Dina modulator deplesi pamawa, bagian cahaya ayana dina sambungan pn anu sempit, sareng lébar deplesi sambungan pn dirobih ku médan listrik anu diterapkeun. Modulator ieu tiasa beroperasi dina kecepatan langkung ti 50Gb/s, tapi gaduh karugian sisipan latar anu luhur. Vpil has nyaéta 2 V-cm. Modulator semikonduktor oksida logam (MOS) (sabenerna semikonduktor-oksida-semikonduktor) ngandung lapisan oksida ipis dina sambungan pn. Ieu ngamungkinkeun sababaraha akumulasi pamawa ogé pangurangan pamawa, ngamungkinkeun VπL anu langkung alit sakitar 0,2 V-cm, tapi ngagaduhan kalemahan karugian optik anu langkung luhur sareng kapasitansi anu langkung luhur per unit panjang. Salian ti éta, aya modulator panyerepan listrik SiGe dumasar kana gerakan ujung pita SiGe (paduan silikon Germanium). Salaku tambahan, aya modulator graphene anu ngandelkeun graphene pikeun ngalih antara logam panyerep sareng insulator transparan. Ieu nunjukkeun rupa-rupa aplikasi mékanisme anu béda pikeun ngahontal modulasi sinyal optik anu gancang sareng rugi rendah.

Gambar 10: (A) Diagram penampang melintang tina rupa-rupa desain modulator optik berbasis silikon sareng (B) diagram penampang melintang tina desain detektor optik.

Sababaraha detektor cahaya basis silikon dipidangkeun dina Gambar 10B. Bahan panyerepna nyaéta germanium (Ge). Ge sanggup nyerep cahaya dina panjang gelombang dugi ka sakitar 1,6 mikron. Anu dipidangkeun di kénca nyaéta struktur pin anu paling suksés sacara komersil ayeuna. Éta diwangun ku silikon anu didoping tipe-P dimana Ge tumuwuh. Ge sareng Si gaduh ketidakcocokan kisi 4%, sareng pikeun ngaminimalkeun dislokasi, lapisan ipis SiGe mimitina dipelak salaku lapisan panyangga. Doping tipe-N dilakukeun di luhur lapisan Ge. Fotodioda logam-semikonduktor-logam (MSM) dipidangkeun di tengah, sareng APD (Fotodetektor longsor) dipidangkeun di katuhu. Daérah longsoran dina APD ayana di Si, anu gaduh karakteristik noise anu langkung handap dibandingkeun sareng daérah longsoran dina bahan unsur Grup III-V.

Ayeuna, teu aya solusi anu gaduh kaunggulan anu jelas dina ngahijikeun gain optik sareng fotonik silikon. Gambar 11 nunjukkeun sababaraha pilihan anu mungkin diatur ku tingkat perakitan. Di belah kénca jauh aya integrasi monolitik anu kalebet panggunaan germanium (Ge) anu dipelak sacara epitaksi salaku bahan gain optik, waveguides kaca (Er) anu didoping erbium (sapertos Al2O3, anu meryogikeun pompa optik), sareng titik kuantum galium arsenida (GaAs) anu dipelak sacara epitaksi. Kolom salajengna nyaéta perakitan wafer ka wafer, anu ngalibatkeun beungkeutan oksida sareng organik dina daérah gain grup III-V. Kolom salajengna nyaéta perakitan chip-ka-wafer, anu ngalibatkeun nyelapkeun chip grup III-V kana rongga wafer silikon teras ngolah struktur waveguide. Kauntungan tina pendekatan tilu kolom munggaran ieu nyaéta alat éta tiasa diuji fungsina pinuh di jero wafer sateuacan motong. Kolom paling katuhu nyaéta perakitan chip-ka-chip, kalebet gandengan langsung chip silikon ka chip grup III-V, ogé gandengan ngalangkungan lénsa sareng coupler kisi. Tren nuju aplikasi komérsial nuju pindah ti sisi katuhu ka sisi kénca bagan nuju solusi anu langkung terpadu sareng terintegrasi.

Gambar 11: Kumaha gain optik diintegrasikeun kana fotonik berbasis silikon. Nalika anjeun ngalih ti kénca ka katuhu, titik sisipan manufaktur laun-laun ngalih deui dina prosésna.