Ενεργό στοιχείο πυριτίου φωτονικής

Ενεργό στοιχείο πυριτίου φωτονικής

Τα ενεργά στοιχεία της φωτονικής αναφέρονται συγκεκριμένα σε σκόπιμα σχεδιασμένες δυναμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτός και ύλης. Ένα τυπικό ενεργό στοιχείο της φωτονικής είναι ένας οπτικός διαμορφωτής. Όλα τα τρέχοντα συστήματα με βάση το πυρίτιοοπτικοί διαμορφωτέςβασίζονται στο φαινόμενο ελεύθερου φορέα πλάσματος. Η αλλαγή του αριθμού των ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών σε ένα υλικό πυριτίου με μεθόδους πρόσμιξης, ηλεκτρικές ή οπτικές μεθόδους μπορεί να αλλάξει τον σύνθετο δείκτη διάθλασης του, μια διαδικασία που φαίνεται στις εξισώσεις (1,2) που λαμβάνονται με την προσαρμογή δεδομένων από τους Soref και Bennett σε μήκος κύματος 1550 νανόμετρα. Σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια, οι οπές προκαλούν μεγαλύτερο ποσοστό των πραγματικών και φανταστικών αλλαγών του δείκτη διάθλασης, δηλαδή, μπορούν να παράγουν μεγαλύτερη αλλαγή φάσης για μια δεδομένη αλλαγή απώλειας, έτσι σεΔιαμορφωτές Mach-Zehnderκαι διαμορφωτές δακτυλίων, συνήθως προτιμάται η χρήση οπών για την κατασκευήδιαμορφωτές φάσης.

Τα διάφοραδιαμορφωτής πυριτίου (Si)Οι τύποι φαίνονται στο Σχήμα 10Α. Σε έναν διαμορφωτή έγχυσης φορέα, το φως βρίσκεται σε εγγενές πυρίτιο μέσα σε μια πολύ ευρεία επαφή ακίδων και εγχέονται ηλεκτρόνια και οπές. Ωστόσο, τέτοιοι διαμορφωτές είναι πιο αργοί, συνήθως με εύρος ζώνης 500 MHz, επειδή τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και οι οπές χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να ανασυνδυαστούν μετά την έγχυση. Επομένως, αυτή η δομή χρησιμοποιείται συχνά ως μεταβλητός οπτικός εξασθενητής (VOA) αντί για διαμορφωτή. Σε έναν διαμορφωτή εξάντλησης φορέα, το τμήμα φωτός βρίσκεται σε μια στενή επαφή pn και το πλάτος εξάντλησης της επαφής pn αλλάζει από ένα εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Αυτός ο διαμορφωτής μπορεί να λειτουργεί σε ταχύτητες που υπερβαίνουν τα 50Gb/s, αλλά έχει υψηλή απώλεια εισαγωγής υποβάθρου. Το τυπικό vpil είναι 2 V-cm. Ένας διαμορφωτής ημιαγωγού μεταλλικού οξειδίου (MOS) (στην πραγματικότητα ημιαγωγός-οξείδιο-ημιαγωγός) περιέχει ένα λεπτό στρώμα οξειδίου σε μια επαφή pn. Επιτρέπει κάποια συσσώρευση φορέων καθώς και εξάντληση φορέων, επιτρέποντας ένα μικρότερο VπL περίπου 0,2 V-cm, αλλά έχει το μειονέκτημα των υψηλότερων οπτικών απωλειών και της υψηλότερης χωρητικότητας ανά μονάδα μήκους. Επιπλέον, υπάρχουν διαμορφωτές ηλεκτρικής απορρόφησης SiGe που βασίζονται στην κίνηση των άκρων της ζώνης SiGe (κράμα πυριτίου-γερμανίου). Επιπλέον, υπάρχουν διαμορφωτές γραφενίου που βασίζονται στο γραφένιο για την εναλλαγή μεταξύ απορροφητικών μετάλλων και διαφανών μονωτών. Αυτοί καταδεικνύουν την ποικιλομορφία των εφαρμογών διαφορετικών μηχανισμών για την επίτευξη διαμόρφωσης οπτικού σήματος υψηλής ταχύτητας και χαμηλών απωλειών.

Σχήμα 10: (Α) Διάγραμμα διατομής διαφόρων σχεδίων οπτικών διαμορφωτών με βάση το πυρίτιο και (Β) διάγραμμα διατομής σχεδίων οπτικών ανιχνευτών.

Στο Σχήμα 10Β φαίνονται αρκετοί ανιχνευτές φωτός με βάση το πυρίτιο. Το απορροφητικό υλικό είναι το γερμάνιο (Ge). Το Ge είναι ικανό να απορροφά φως σε μήκη κύματος έως και περίπου 1,6 μικρά. Στα αριστερά φαίνεται η πιο εμπορικά επιτυχημένη δομή καρφίτσας σήμερα. Αποτελείται από πυρίτιο με πρόσμιξη τύπου P, στο οποίο αναπτύσσεται Ge. Το Ge και το Si έχουν αναντιστοιχία πλέγματος 4% και, για να ελαχιστοποιηθεί η εξάρθρωση, ένα λεπτό στρώμα SiGe αναπτύσσεται πρώτα ως στρώμα buffer. Η πρόσμιξη τύπου N πραγματοποιείται στην κορυφή του στρώματος Ge. Μια φωτοδίοδος μετάλλου-ημιαγωγού-μετάλλου (MSM) φαίνεται στη μέση και μια φωτοδίοδος APD (φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας) φαίνεται στα δεξιά. Η περιοχή χιονοστιβάδας στο APD βρίσκεται στο Si, το οποίο έχει χαμηλότερα χαρακτηριστικά θορύβου σε σύγκριση με την περιοχή χιονοστιβάδας σε στοιχειακά υλικά Ομάδας III-V.

Προς το παρόν, δεν υπάρχουν λύσεις με προφανή πλεονεκτήματα στην ενσωμάτωση του οπτικού κέρδους με τη φωτονική πυριτίου. Το Σχήμα 11 δείχνει αρκετές πιθανές επιλογές οργανωμένες ανά επίπεδο συναρμολόγησης. Στην αριστερή άκρη υπάρχουν μονολιθικές ενσωματώσεις που περιλαμβάνουν τη χρήση επιταξιακά καλλιεργημένου γερμανίου (Ge) ως υλικό οπτικού κέρδους, κυματοδηγούς γυαλιού με προσμίξεις ερβίου (Er) (όπως το Al2O3, το οποίο απαιτεί οπτική άντληση) και κβαντικές κουκκίδες επιταξιακά καλλιεργημένου αρσενικούχου γαλλίου (GaAs). Η επόμενη στήλη είναι η συναρμολόγηση πλακέτας με πλακέτα, που περιλαμβάνει δεσμούς οξειδίου και οργανικών ενώσεων στην περιοχή κέρδους ομάδας III-V. Η επόμενη στήλη είναι η συναρμολόγηση τσιπ-προς-πλακέτα, η οποία περιλαμβάνει την ενσωμάτωση του τσιπ ομάδας III-V στην κοιλότητα του πλακιδίου πυριτίου και στη συνέχεια την κατεργασία της δομής του κυματοδηγού. Το πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης των τριών πρώτων στηλών είναι ότι η συσκευή μπορεί να δοκιμαστεί πλήρως λειτουργικά μέσα στο πλακίδιο πριν από την κοπή. Η δεξιά στήλη είναι η συναρμολόγηση τσιπ-προς-τσιπ, συμπεριλαμβανομένης της άμεσης σύζευξης τσιπ πυριτίου με τσιπ ομάδας III-V, καθώς και της σύζευξης μέσω φακών και συζευκτήρων πλέγματος. Η τάση προς τις εμπορικές εφαρμογές κινείται από τη δεξιά προς την αριστερή πλευρά του διαγράμματος, προς όλο και πιο ολοκληρωμένες λύσεις.

Σχήμα 11: Πώς ενσωματώνεται το οπτικό κέρδος στη φωτονική με βάση το πυρίτιο. Καθώς μετακινείστε από αριστερά προς τα δεξιά, το σημείο εισαγωγής κατασκευής μετακινείται σταδιακά προς τα πίσω στη διαδικασία.