Silicon photonics aktibong elemento

Silicon photonics aktibong elemento

Ang mga aktibong bahagi ng Photonics ay partikular na tumutukoy sa sinadyang idinisenyong mga dynamic na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng liwanag at bagay. Ang isang tipikal na aktibong sangkap ng photonics ay isang optical modulator. Lahat ng kasalukuyang batay sa silikonoptical modulatorsay batay sa plasma free carrier effect. Ang pagpapalit ng bilang ng mga libreng electron at mga butas sa isang materyal na silikon sa pamamagitan ng doping, electrical o optical na mga pamamaraan ay maaaring magbago ng kumplikadong refractive index nito, isang prosesong ipinapakita sa mga equation (1,2) na nakuha sa pamamagitan ng pag-aayos ng data mula kay Soref at Bennett sa wavelength na 1550 nanometer . Kung ikukumpara sa mga electron, ang mga butas ay nagdudulot ng mas malaking proporsyon ng tunay at haka-haka na mga pagbabago sa refractive index, iyon ay, maaari silang gumawa ng mas malaking pagbabago sa bahagi para sa isang naibigay na pagbabago sa pagkawala, kaya saMga modulator ng Mach-Zehnderat ring modulators, kadalasang mas pinipiling gumamit ng mga butas para makagawaphase modulators.

Ang iba't-ibangsilikon (Si) modulatorang mga uri ay ipinapakita sa Figure 10A. Sa isang carrier injection modulator, ang ilaw ay matatagpuan sa intrinsic na silicon sa loob ng napakalawak na pin junction, at ang mga electron at butas ay ini-inject. Gayunpaman, ang mga naturang modulator ay mas mabagal, kadalasang may bandwidth na 500 MHz, dahil ang mga libreng electron at butas ay mas tumatagal upang muling pagsamahin pagkatapos ng iniksyon. Samakatuwid, ang istrakturang ito ay kadalasang ginagamit bilang isang variable optical attenuator (VOA) sa halip na isang modulator. Sa isang carrier depletion modulator, ang liwanag na bahagi ay matatagpuan sa isang makitid na pn junction, at ang lapad ng depletion ng pn junction ay binago ng isang inilapat na electric field. Ang modulator na ito ay maaaring gumana sa bilis na lampas sa 50Gb/s, ngunit may mataas na pagkawala ng insertion sa background. Ang karaniwang vpil ay 2 V-cm. Ang isang metal oxide semiconductor (MOS) (aktwal na semiconductor-oxide-semiconductor) modulator ay naglalaman ng manipis na oxide layer sa isang pn junction. Nagbibigay-daan ito sa ilang akumulasyon ng carrier pati na rin sa pagkaubos ng carrier, na nagbibigay-daan sa mas maliit na VπL na humigit-kumulang 0.2 V-cm, ngunit may disbentaha ng mas mataas na optical loss at mas mataas na kapasidad sa bawat haba ng yunit. Bilang karagdagan, mayroong SiGe electrical absorption modulators batay sa SiGe (silicon Germanium alloy) na paggalaw ng gilid ng banda. Bilang karagdagan, mayroong mga graphene modulator na umaasa sa graphene upang lumipat sa pagitan ng mga sumisipsip na metal at transparent na mga insulator. Ang mga ito ay nagpapakita ng pagkakaiba-iba ng mga aplikasyon ng iba't ibang mga mekanismo upang makamit ang high-speed, low-loss optical signal modulation.

Figure 10: (A) Cross-sectional diagram ng iba't ibang silicone-based na optical modulator na disenyo at (B) cross-sectional diagram ng optical detector na disenyo.

Maraming mga silicon-based na light detector ang ipinapakita sa Figure 10B. Ang sumisipsip na materyal ay germanium (Ge). Nagagawa ni Ge na sumipsip ng liwanag sa mga wavelength hanggang sa humigit-kumulang 1.6 microns. Ipinapakita sa kaliwa ang pinakamatagumpay na pin structure sa komersyo ngayon. Binubuo ito ng P-type na doped silicon kung saan lumalaki ang Ge. Ang Ge at Si ay may 4% na hindi pagkakatugma ng sala-sala, at upang mabawasan ang dislokasyon, isang manipis na layer ng SiGe ang unang pinatubo bilang isang buffer layer. Isinasagawa ang N-type doping sa tuktok ng Ge layer. Ang isang metal-semiconductor-metal (MSM) photodiode ay ipinapakita sa gitna, at isang APD (avalanche Photodetector) ay ipinapakita sa kanan. Ang avalanche region sa APD ay matatagpuan sa Si, na may mas mababang katangian ng ingay kumpara sa avalanche region sa Group III-V elemental na materyales.

Sa kasalukuyan, walang mga solusyon na may halatang mga pakinabang sa pagsasama ng optical gain sa mga silikon na photonic. Ipinapakita ng Figure 11 ang ilang posibleng opsyon na inayos ayon sa antas ng pagpupulong. Sa dulong kaliwa ay mga monolithic integration na kinabibilangan ng paggamit ng epitaxially grown germanium (Ge) bilang optical gain material, erbium-doped (Er) glass waveguides (gaya ng Al2O3, na nangangailangan ng optical pumping), at epitaxially grown gallium arsenide (GaAs ) mga tuldok na quantum. Ang susunod na column ay wafer to wafer assembly, na kinasasangkutan ng oxide at organic bonding sa III-V group gain region. Ang susunod na column ay chip-to-wafer assembly, na kinabibilangan ng pag-embed ng III-V group chip sa cavity ng silicon wafer at pagkatapos ay machining ang waveguide structure. Ang bentahe ng unang tatlong hanay na diskarte na ito ay ang aparato ay maaaring ganap na masuri sa loob ng wafer bago i-cut. Ang pinakakanang column ay chip-to-chip assembly, kabilang ang direktang pag-coupling ng mga silicon chips sa III-V group chips, pati na rin ang coupling sa pamamagitan ng lens at grating couplers. Ang trend patungo sa mga komersyal na application ay lumilipat mula sa kanan papunta sa kaliwang bahagi ng chart patungo sa mas pinagsama-sama at pinagsama-samang mga solusyon.

Figure 11: Paano isinama ang optical gain sa mga photonic na nakabatay sa silikon. Habang lumilipat ka mula kaliwa pakanan, ang manufacturing insertion point ay unti-unting gumagalaw pabalik sa proseso.