Ενεργό στοιχείο φωτονικής πυριτίου

Ενεργό στοιχείο φωτονικής πυριτίου

Τα ενεργά συστατικά φωτονικής αναφέρονται ειδικά σε σκόπιμα σχεδιασμένες δυναμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτός και ύλης. Ένα τυπικό ενεργό συστατικό της φωτονικής είναι ένας οπτικός διαμορφωτής. Όλα τα τρέχοντα με βάση το πυρίτιοοπτικούς διαμορφωτέςβασίζονται στο φαινόμενο του φορέα χωρίς πλάσμα. Η αλλαγή του αριθμού των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών σε ένα υλικό πυριτίου με ντόπινγκ, ηλεκτρικές ή οπτικές μεθόδους μπορεί να αλλάξει τον πολύπλοκο δείκτη διάθλασής του, μια διαδικασία που φαίνεται στις εξισώσεις (1,2) που λαμβάνονται με την προσαρμογή δεδομένων από τους Soref και Bennett σε μήκος κύματος 1550 νανόμετρων . Σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια, οι οπές προκαλούν μεγαλύτερο ποσοστό των αλλαγών του πραγματικού και του φανταστικού δείκτη διάθλασης, δηλαδή μπορούν να παράγουν μεγαλύτερη αλλαγή φάσης για μια δεδομένη μεταβολή απώλειας.Διαμορφωτές Mach-Zehnderκαι διαμορφωτές δακτυλίου, 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 διασταύρωση 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) παρά ως διαμορφωτής. Σε έναν διαμορφωτή εξάντλησης φορέα, το τμήμα φωτός βρίσκεται σε μια στενή διασταύρωση pn και το πλάτος εξάντλησης της διασταύρωσης pn αλλάζει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Αυτός ο διαμορφωτής μπορεί να λειτουργήσει σε ταχύτητες άνω των 50 Gb/s, αλλά έχει υψηλή απώλεια εισαγωγής στο φόντο. Το τυπικό vpil είναι 2 V-cm. Ένας διαμορφωτής ημιαγωγού οξειδίου μετάλλου (MOS) (στην πραγματικότητα ημιαγωγός-οξείδιο-ημιαγωγός) περιέχει ένα λεπτό στρώμα οξειδίου σε μια διασταύρωση pn. Επιτρέπει κάποια συσσώρευση φορέα καθώς και εξάντληση του φορέα, επιτρέποντας 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 γερμανίου πυριτίου). Επιπλέον, υπάρχουν διαμορφωτές γραφενίου που βασίζονται στο γραφένιο για την εναλλαγή μεταξύ απορροφητικών μετάλλων και διαφανών μονωτών. Αυτά καταδεικνύουν την ποικιλομορφία των εφαρμογών διαφορετικών μηχανισμών για την επίτευξη διαμόρφωσης οπτικού σήματος υψηλής ταχύτητας και χαμηλής απώλειας.

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

Αρκετοί ανιχνευτές φωτός με βάση το πυρίτιο φαίνονται στο Σχήμα 10Β. Το απορροφητικό υλικό είναι το γερμάνιο (Ge). Το Ge είναι σε θέση να απορροφά φως σε μήκη κύματος μέχρι περίπου 1,6 μικρά. Στα αριστερά φαίνεται η πιο επιτυχημένη εμπορικά δομή καρφίτσας σήμερα. Αποτελείται από ντοπαρισμένο πυρίτιο τύπου P στο οποίο αναπτύσσεται το Ge. Τα Ge και Si έχουν αναντιστοιχία πλέγματος 4% και για να ελαχιστοποιηθεί η εξάρθρωση, ένα λεπτό στρώμα SiGe αναπτύσσεται πρώτα ως ρυθμιστικό στρώμα. Το ντόπινγκ τύπου Ν εκτελείται στην κορυφή του στρώματος Ge. Μια φωτοδίοδος μετάλλου-ημιαγωγού-μετάλλου (MSM) εμφανίζεται στη μέση και μια APD (Φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας) εμφανίζεται στα δεξιά. Η περιοχή χιονοστιβάδας στο APD βρίσκεται στο Si, το οποίο έχει χαμηλότερα χαρακτηριστικά θορύβου σε σύγκριση με την περιοχή χιονοστιβάδας στα στοιχειώδη υλικά της 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 διάφορες πιθανές επιλογές οργανωμένες ανά επίπεδο συναρμολόγησης. Στο άκρο αριστερά υπάρχουν μονολιθικές ενσωματώσεις που περιλαμβάνουν τη χρήση επιταξιακά αναπτυγμένου γερμανίου (Ge) ως υλικό οπτικού κέρδους, γυάλινους κυματοδηγούς με πρόσμειξη έρβιου (Er) (όπως το Al2O3, που απαιτεί οπτική άντληση) και αρσενίδιο του γαλλίου επιταξιακά αναπτυγμένου (GaAs ) κβαντικές τελείες. Η επόμενη στήλη είναι η συναρμολόγηση γκοφρέτας σε γκοφρέτα, που περιλαμβάνει οξείδιο και οργανική σύνδεση στην περιοχή κέρδους της ομάδας III-V. Η επόμενη στήλη είναι η συναρμολόγηση από τσιπ σε γκοφρέτα, η οποία περιλαμβάνει την ενσωμάτωση του τσιπ της ομάδας III-V στην κοιλότητα του πλακιδίου πυριτίου και στη συνέχεια την κατεργασία της δομής του κυματοδηγού. Το πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης τριών πρώτων στηλών είναι ότι η συσκευή μπορεί να ελεγχθεί πλήρως λειτουργικά μέσα στη γκοφρέτα πριν την κοπή. Η πιο δεξιά στήλη είναι η συναρμολόγηση από τσιπ σε τσιπ, συμπεριλαμβανομένης της άμεσης σύζευξης τσιπς πυριτίου με τσιπ της ομάδας III-V, καθώς και σύζευξης μέσω φακών και συζευκτών τριψίματος. Η τάση προς τις εμπορικές εφαρμογές κινείται από τη δεξιά προς την αριστερή πλευρά του διαγράμματος προς πιο ολοκληρωμένες και ολοκληρωμένες λύσεις.

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