Silicon photonics aktyf elemint

Silicon photonics aktyf elemint

Aktive komponinten fan fotonika ferwize spesifyk nei opsetlik ûntworpen dynamyske ynteraksjes tusken ljocht en matearje. In typysk aktive komponint fan fotonika is in optyske modulator. Alle hjoeddeiske silisium-basearreoptyske modulatorsbinne basearre op it plasma-frije drager-effekt. 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 op in golflingte fan 1550 nanometer . Yn ferliking mei elektroanen, feroarsaakje gatten in grutter part fan 'e echte en tinkbyldige brekingsyndeks feroarings, dat is, se kinne produsearje in gruttere faze feroaring foar in opjûne ferlies feroaring, dus ynMach-Zehnder modulatorsen ring modulators, is it meastal de foarkar te brûken gatten te meitsjenfaze modulators.

De ferskatesilisium (Si) modulatorsoarten wurde werjûn yn figuer 10A. Yn in drager ynjeksje modulator, ljocht leit yn yntinsive silisium binnen in hiel breed pin junction, en elektroanen en gatten wurde ynjeksje. Sokke modulators binne lykwols stadiger, typysk mei in bânbreedte fan 500 MHz, om't frije elektroanen en gatten langer nimme om te rekombinearjen nei ynjeksje. Dêrom wurdt dizze struktuer faak brûkt as in fariabele optyske attenuator (VOA) ynstee fan in modulator. Yn in drager útputting modulator leit it ljocht diel yn in smelle pn knooppunt, en de útputting breedte fan de pn knooppunt wurdt feroare troch in tapast elektryske fjild. Dizze modulator kin operearje mei snelheden fan mear as 50Gb / s, mar hat in hege eftergrûnynstekkingsferlies. De typyske vpil is 2 V-cm. In metaal okside semiconductor (MOS) (eins semiconductor-oxide-semiconductor) modulator befettet in tinne okside laach yn in pn knooppunt. It lit wat drager accumulation likegoed as drager útputting, wêrtroch in lytsere VπL fan likernôch 0,2 V-cm, mar hat it neidiel fan hegere optyske ferliezen en hegere capacitance per ienheid lingte. Dêrneist binne d'r SiGe elektryske absorption modulators basearre op SiGe (silicium Germanium alloy) band edge beweging. Derneist binne d'r grafeenmodulators dy't op grafeen fertrouwe om te wikseljen tusken absorbearjende metalen en transparante isolatoaren. Dizze demonstrearje it ferskaat oan tapassingen fan ferskate meganismen om optyske sinjaalmodulaasje mei hege snelheid te berikken.

figuer 10: (A) Cross-sectional diagram fan ferskate silisium-basearre optyske modulator ûntwerpen en (B) trochsneeddiagram fan optyske detektor ûntwerpen.

Ferskate silisium-basearre ljochtdetektors wurde werjûn yn figuer 10B. It absorbearjende materiaal is germanium (Ge). Ge is yn steat om ljocht op te nimmen op golflingten oant sawat 1,6 mikrons. Oan de linkerkant is de meast kommersjeel suksesfolle pinstruktuer hjoed. It is gearstald út P-type doped silisium dêr't Ge groeit. Ge en Si hawwe in 4% roostermismatch, en om de dislokaasje te minimalisearjen, wurdt earst in tinne laach SiGe groeid as bufferlaach. N-type doping wurdt útfierd op de top fan Ge laach. In metaal-semiconductor-metaal (MSM) fotodiode wurdt yn 't midden te sjen, en in APD (lawine Photodetector) wurdt oan de rjochterkant werjûn. De lawineregio yn APD leit yn Si, dy't legere lûdskaaimerken hat yn ferliking mei it lawinegebiet yn groep III-V elemintêre materialen.

Op it stuit binne d'r gjin oplossingen mei dúdlike foardielen by it yntegrearjen fan optyske winst mei silisiumfotoniken. figuer 11 toant ferskate mooglike opsjes organisearre troch gearkomste nivo. Oan 'e lofterkant binne monolityske yntegraasjes dy't it gebrûk omfetsje fan epitaksiaal groeid germanium (Ge) as materiaal foar optysk winst, erbium-doped (Er) glêzen golfgeleiders (lykas Al2O3, dy't optyske pompen fereasket), en epitaksiaal groeid galliumarsenide (GaAs) ) kwantumpunten. De folgjende kolom is wafer oan wafel gearkomste, wêrby't okside en organyske bonding yn 'e III-V groep winst regio. De folgjende kolom is chip-to-wafer-assemblage, wêrby't de III-V-groep-chip ynbêde yn 'e holte fan' e silisiumwafel en dan de waveguidestruktuer ferwurkje. It foardiel fan dizze oanpak fan 'e earste trije kolommen is dat it apparaat folslein funksjoneel kin wurde hifke yn' e wafel foardat se snijden. De rjochterkant kolom is chip-to-chip assembly, ynklusyf direkte coupling fan silisium chips oan III-V groep chips, likegoed as coupling fia lens en grating couplers. De trend nei kommersjele tapassingen beweecht fan rjochts nei lofts fan 'e kaart nei mear yntegreare en yntegreare oplossingen.

Figuer 11: Hoe optyske winst wurdt yntegrearre yn silisium-basearre photonics. As jo ​​fan lofts nei rjochts ferpleatse, beweecht it fabrikaazje-ynfoegpunt stadichoan werom yn it proses.