Silisium fotonika aktyf elemint

Silisium fotonika aktyf elemint

Fotonika aktive komponinten ferwize spesifyk nei bewust ûntworpen dynamyske ynteraksjes tusken ljocht en matearje. In typyske aktive komponint fan fotonika is in optyske modulator. Alle hjoeddeiske silisium-basearre ...optyske modulatorenbinne basearre op it plasmafrije dragereffekt. It feroarjen fan it oantal frije elektroanen en gatten yn in silisiummateriaal troch doping, elektryske of optyske metoaden kin syn komplekse brekingsyndeks feroarje, in proses werjûn yn fergelikingen (1,2) krigen troch it passen fan gegevens fan Soref en Bennett by in golflingte fan 1550 nanometer. Yn ferliking mei elektroanen feroarsaakje gatten in grutter part fan 'e echte en imaginêre brekingsyndeksferoaringen, dat wol sizze, se kinne in gruttere fazeferoaring produsearje foar in bepaalde ferliesferoaring, dus ynMach-Zehnder-modulatorenen ringmodulatoren, it is meastentiids de foarkar om gatten te brûken om te meitsjenfazemodulatoren.

De ferskatesilisium (Si) modulatortypen wurde werjûn yn figuer 10A. Yn in drager-ynjeksjemodulator is ljocht yn yntrinsyk silisium binnen in tige brede pin-oergong, en wurde elektroanen en gatten ynjektearre. Sokke modulatoren binne lykwols stadiger, typysk mei in bânbreedte fan 500 MHz, om't frije elektroanen en gatten langer nedich hawwe om te rekombinearjen nei ynjeksje. Dêrom wurdt dizze struktuer faak brûkt as in fariabele optyske ferswakker (VOA) ynstee fan in modulator. Yn in drager-útputtingsmodulator is it ljochtdiel yn in smelle pn-oergong, en wurdt de útputtingsbreedte fan 'e pn-oergong feroare troch in tapast elektrysk fjild. Dizze modulator kin wurkje mei snelheden fan mear as 50 Gb/s, mar hat in hege eftergrûnynfoegingsferlies. De typyske vpil is 2 V-cm. In metaalokside-healgelieder (MOS) (eins healgelieder-okside-healgelieder) modulator befettet in tinne oksidelaach yn in pn-oergong. It makket sawol wat ladingdragerakkumulaasje as ladingdragerútputting mooglik, wêrtroch in lytsere VπL fan sawat 0,2 V-cm mooglik is, mar hat it neidiel fan hegere optyske ferliezen en hegere kapasitans per lingte-ienheid. Derneist binne der SiGe elektryske absorpsjemodulatoren basearre op SiGe (silicium Germanium-legering) bânrânebeweging. Derneist binne der grafeenmodulatoren dy't fertrouwe op grafeen om te wikseljen tusken absorberende metalen en transparante isolatoren. Dizze demonstrearje de ferskaat oan tapassingen fan ferskate meganismen om hege-snelheid, leech-ferlies optyske sinjaalmodulaasje te berikken.

Figuer 10: (A) Dwarsdoorsnedediagram fan ferskate ûntwerpen fan optyske modulators op basis fan silisium en (B) dwarsdoorsnedediagram fan ûntwerpen fan optyske detektors.

Ferskate ljochtdetektors op basis fan silisium wurde werjûn yn figuer 10B. It absorberende materiaal is germanium (Ge). Ge kin ljocht absorbearje by golflingten oant sawat 1,6 mikron. Links wurdt de meast kommersjeel suksesfolle pinstruktuer fan hjoed werjûn. It is gearstald út P-type dopeare silisium wêrop Ge groeit. Ge en Si hawwe in roostermismatch fan 4%, en om de dislokaasje te minimalisearjen, wurdt earst in tinne laach SiGe groeid as in bufferlaach. N-type doping wurdt útfierd boppe op 'e Ge-laach. In metaal-healgelieder-metaal (MSM) fotodiode wurdt werjûn yn 'e midden, en in APD (lawine fotodetektor) wurdt oan 'e rjochterkant werjûn. It lawinegebiet yn APD leit yn Si, dat legere rûskeigenskippen hat yn ferliking mei it lawinegebiet yn elemintêre materialen fan Groep III-V.

Op it stuit binne der gjin oplossingen mei dúdlike foardielen by it yntegrearjen fan optyske fersterking mei silisiumfotonika. Figuer 11 lit ferskate mooglike opsjes sjen, organisearre op gearstallingsnivo. Uterst links binne monolityske yntegraasjes dy't it gebrûk fan epitaksiaal groeid germanium (Ge) as in optysk fersterkingmateriaal omfetsje, erbium-dopearre (Er) glêzen golflieders (lykas Al2O3, dy't optyske pomping fereasket), en epitaksiaal groeid galliumarsenide (GaAs) kwantumdots. De folgjende kolom is wafer-oan-wafer-gearstalling, wêrby't okside en organyske binding yn it III-V-groepfersterkinggebiet belutsen binne. De folgjende kolom is chip-oan-wafer-gearstalling, wêrby't de III-V-groepchip yn 'e holte fan' e silisiumwafer ynbêde wurdt en de golfliederstruktuer dan ferwurke wurdt. It foardiel fan dizze earste trije kolommen oanpak is dat it apparaat folslein funksjoneel test wurde kin yn 'e wafer foardat it snijd wurdt. De rjochter kolom is chip-oan-chip-gearstalling, ynklusyf direkte koppeling fan silisiumchips oan III-V-groepchips, lykas koppeling fia lens- en rasterkoppelings. De trend nei kommersjele tapassingen beweecht fan 'e rjochterkant nei de linkerkant fan' e kaart nei mear yntegreare en yntegreare oplossingen.

Figuer 11: Hoe optyske fersterking yntegrearre wurdt yn fotonika op basis fan silisium. As jo ​​fan lofts nei rjochts geane, beweecht it ynfoegingspunt fan 'e produksje stadichoan werom yn it proses.