Ενεργό στοιχείο φωτονικής πυριτίου

Ενεργό στοιχείο φωτονικής πυριτίου

Τα ενεργά συστατικά της 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 βασισμένο σε πυρίτιοοπτικοί διαμορφωτέςβασίζονται στο φαινόμενο φορέα ελεύθερου πλάσματος. Η αλλαγή του αριθμού των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών σε υλικό πυριτίου με ντόπινγκ, ηλεκτρικές ή οπτικές μεθόδους μπορεί να αλλάξει τον σύνθετο δείκτη διάθλασης, μια διαδικασία που φαίνεται στις εξισώσεις (1,2) που λαμβάνονται με την τοποθέτηση δεδομένων από Soref και Bennett σε μήκος κύματος 1550 νανομετρών. Σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια, οι οπές προκαλούν μεγαλύτερο ποσοστό των πραγματικών και φανταστικών αλλαγών δείκτη διάθλασης, δηλαδή μπορούν να παράγουν μια μεγαλύτερη αλλαγή φάσης για μια δεδομένη αλλαγή απώλειας, έτσιMach-Zehnder διαμορφωτέςκαι διαμορφωτές δακτυλίου, συνήθως προτιμάται να χρησιμοποιείτε τρύπες για να κάνετεδιαμορφωτές φάσης.

Τα διάφοραδιαμορφωτής πυριτίου (SI)Οι τύποι φαίνονται στο σχήμα 10Α. Σε έναν διαμορφωτή έγχυσης φορέα, το φως βρίσκεται σε ενδογενές πυρίτιο μέσα σε μια πολύ μεγάλη διασταύρωση πείρου και εγχύονται ηλεκτρόνια και οπές. Ωστόσο, αυτοί οι διαμορφωτές είναι βραδύτεροι, συνήθως με εύρος ζώνης 500 MHz, επειδή τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και οι οπές χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να ανασυνδυαστούν μετά την ένεση. Επομένως, αυτή η δομή χρησιμοποιείται συχνά ως μεταβλητός οπτικός εξασθενητής (VOA) και όχι ως διαμορφωτής. Σε έναν διαμορφωτή εξάντλησης του φορέα, το τμήμα φωτός βρίσκεται σε μια στενή διασταύρωση PN και το πλάτος εξάντλησης της διασταύρωσης PN μεταβάλλεται από ένα εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Αυτός ο διαμορφωτής μπορεί να λειτουργεί με ταχύτητες άνω των 50GB/s, αλλά έχει υψηλή απώλεια εισαγωγής υπόβαθρο. Το τυπικό VPIL είναι 2 V-CM. Ένας ημιαγωγός μεταλλικού οξειδίου (MOS) (στην πραγματικότητα διαμορφωτής ημιαγωγού-οξειδίου-σιμτονίου) περιέχει ένα λεπτό στρώμα οξειδίου σε μια διασταύρωση ΡΝ. Επιτρέπει κάποια συσσώρευση φορέα καθώς και εξάντληση του φορέα, επιτρέποντας ένα μικρότερο VπL περίπου 0,2 V-CM, αλλά έχει το μειονέκτημα υψηλότερων οπτικών απωλειών και υψηλότερης χωρητικότητας ανά μονάδα μήκους. Επιπλέον, υπάρχουν διαμορφωτές ηλεκτρικής απορρόφησης Sige που βασίζονται σε κίνηση ακμής ζώνης Sige (Silicon Germanium Stroly). Επιπλέον, υπάρχουν διαμορφωτές graphene που βασίζονται στο graphene για εναλλαγή μεταξύ απορροφητικών μετάλλων και διαφανείς μονωτήρες. Αυτά καταδεικνύουν την ποικιλομορφία των εφαρμογών διαφορετικών μηχανισμών για την επίτευξη διαμόρφωσης οπτικού σήματος υψηλής ταχύτητας, χαμηλής απώλειας.

Εικόνα 10: (α) Διάγραμμα διατομής διαφόρων σχεδίων οπτικού διαμορφωτή με βάση το πυρίτιο και (β) διαγράμματος διατομής των σχεδίων οπτικών ανιχνευτών.

Αρκετοί ανιχνευτές φωτός με βάση το πυρίτιο φαίνονται στο Σχήμα 10Β. Το απορροφητικό υλικό είναι γερμανικό (GE). Η GE είναι σε θέση να απορροφήσει το φως σε μήκη κύματος σε περίπου 1,6 μικρά. Που εμφανίζεται στα αριστερά είναι η πιο εμπορικά επιτυχημένη δομή PIN σήμερα. Αποτελείται από πυριτίου τύπου Ρ που αναπτύσσεται. Το GE και το SI έχουν αναντιστοιχία πλέγματος 4% και προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η εξάρθρωση, ένα λεπτό στρώμα sige αναπτύσσεται αρχικά ως ένα ρυθμιστικό στρώμα. Το ντόπινγκ τύπου Ν εκτελείται στην κορυφή του στρώματος GE. Μια φωτοδίοδο μεταλλικού-semonductor-metal (MSM) παρουσιάζεται στη μέση και ένα APD (φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας) εμφανίζεται στα δεξιά. Η περιοχή της χιονοστιβάδας στο APD βρίσκεται στο SI, το οποίο έχει χαμηλότερα χαρακτηριστικά θορύβου σε σύγκριση με την περιοχή της χιονοστιβάδας της ομάδας III-V Elemental Materials.

Επί του παρόντος, δεν υπάρχουν λύσεις με προφανή πλεονεκτήματα στην ενσωμάτωση οπτικού κέρδους με φωτονική πυριτίου. Το σχήμα 11 δείχνει αρκετές πιθανές επιλογές που οργανώνονται από το επίπεδο συναρμολόγησης. Στην άκρα αριστερά υπάρχουν μονολιθικές ενσωματώσεις που περιλαμβάνουν τη χρήση επιταξιακά καλλιεργημένου γερμανίου (GE) ως υλικό οπτικού κέρδους, κυματοδηγοί γυαλιού (ER) (όπως AL2O3, που απαιτούν οπτική άντληση) και επιταξικά καλλιεργούμενα κβαντικά χάλια (GaAs). Η επόμενη στήλη είναι το συγκρότημα πλακιδίων, η οποία περιλαμβάνει οξείδιο και οργανική συγκόλληση στην περιοχή κέρδους ομάδας III-V. Η επόμενη στήλη είναι το συγκρότημα chip-to-wafer, το οποίο περιλαμβάνει την ενσωμάτωση του τσιπ III-V Group στην κοιλότητα του δισκίου πυριτίου και στη συνέχεια τη μηχανική επεξεργασία της δομής κυματοδηγού. Το πλεονέκτημα αυτής της πρώτης προσέγγισης της πρώτης στήλης είναι ότι η συσκευή μπορεί να είναι πλήρως λειτουργική δοκιμασμένη μέσα στο δίσκο πριν κοπεί. Η σωστή στήλη είναι συγκρότημα τσιπ σε τσιπ, συμπεριλαμβανομένης της άμεσης σύζευξης τσιπς πυριτίου σε τσιπς ομάδων III-V, καθώς και σύζευξης μέσω φακών και συζυγών. Η τάση προς τις εμπορικές εφαρμογές μετακινείται από την δεξιά προς την αριστερή πλευρά του διαγράμματος προς πιο ολοκληρωμένες και ολοκληρωμένες λύσεις.

Εικόνα 11: Πώς ενσωματώνεται το οπτικό κέρδος στη φωτονική που βασίζεται σε πυρίτιο. Καθώς μετακινείτε από αριστερά προς τα δεξιά, το σημείο εισαγωγής κατασκευής μετακινείται σταδιακά πίσω στη διαδικασία.