Ang aktibong elemento ng Silicon Photonics

Ang aktibong elemento ng Silicon Photonics

Ang mga aktibong sangkap ng Photonics ay partikular na tumutukoy sa sinasadyang dinisenyo dinamikong pakikipag -ugnayan sa pagitan ng ilaw at bagay. Ang isang karaniwang aktibong sangkap ng photonics ay isang optical modulator. Lahat ng kasalukuyang batay sa silikonOptical Modulatorsay batay sa epekto ng libreng carrier ng plasma. Ang pagbabago ng bilang ng mga libreng elektron at butas sa isang materyal na silikon sa pamamagitan ng doping, elektrikal o optical na pamamaraan ay maaaring baguhin ang kumplikadong index ng refractive, isang proseso na ipinapakita sa mga equation (1,2) na nakuha sa pamamagitan ng pag -angkop ng data mula sa SOREF at Bennett sa isang haba ng haba ng 1550 nanometer. Kung ikukumpara saMga Modulator ng Mach-Zehnderat mga modulators ng singsing, karaniwang ginustong gumamit ng mga butas upang gawinPhase Modulators.

Ang iba -ibaSilicon (SI) ModulatorAng mga uri ay ipinapakita sa Figure 10A. Sa isang modulator ng iniksyon ng carrier, ang ilaw ay matatagpuan sa intrinsic silikon sa loob ng isang malawak na pin junction, at ang mga electron at butas ay na -injected. Gayunpaman, ang mga nasabing modulators ay mas mabagal, karaniwang may bandwidth na 500 MHz, dahil ang mga libreng electron at butas ay mas matagal upang mag -recombine pagkatapos ng iniksyon. Samakatuwid, ang istraktura na ito ay madalas na ginagamit bilang isang variable na optical attenuator (VOA) sa halip na isang modulator. Sa isang modulator ng pag -ubos ng carrier, ang ilaw na bahagi ay matatagpuan sa isang makitid na kantong PN, at ang lapad ng pag -ubos ng PN junction ay binago ng isang inilapat na larangan ng kuryente. Ang modulator na ito ay maaaring gumana sa bilis na higit sa 50GB/s, ngunit may mataas na pagkawala ng pagpasok sa background. Ang karaniwang VPIL ay 2 V-CM. Ang isang metal oxide semiconductor (MOS) (talagang semiconductor-oxide-semiconductor) Modulator ay naglalaman ng isang manipis na layer ng oxide sa isang kantong PN. Pinapayagan nito ang ilang akumulasyon ng carrier pati na rin ang pag-ubos ng carrier, na nagpapahintulot sa isang mas maliit na Vπl na halos 0.2 V-CM, ngunit may kawalan ng mas mataas na optical na pagkalugi at mas mataas na kapasidad sa bawat haba ng yunit. Bilang karagdagan, mayroong mga modulators ng pagsipsip ng Sige Electrical batay sa Sige (Silicon Germanium Alloy) na paggalaw ng banda. Bilang karagdagan, may mga graphene modulators na umaasa sa graphene upang lumipat sa pagitan ng pagsipsip ng mga metal at mga transparent na insulators. Ipinapakita nito ang pagkakaiba-iba ng mga aplikasyon ng iba't ibang mga mekanismo upang makamit ang high-speed, low-loss optical signal modulation.

Larawan 10: (a) diagram ng cross-sectional ng iba't ibang mga disenyo ng optical modulator na batay sa silikon at (b) diagram ng cross-sectional ng mga disenyo ng optical detector.

Maraming mga light detector na batay sa silikon ay ipinapakita sa Figure 10B. Ang sumisipsip na materyal ay Germanium (GE). Ang GE ay maaaring sumipsip ng ilaw sa mga haba ng haba hanggang sa tungkol sa 1.6 microns. Ipinakita sa kaliwa ay ang pinaka -komersyal na matagumpay na istraktura ng pin ngayon. Ito ay binubuo ng p-type doped silikon kung saan lumalaki ang GE. Ang GE at SI ay may 4% na lattice mismatch, at upang mabawasan ang dislokasyon, ang isang manipis na layer ng Sige ay unang lumaki bilang isang layer ng buffer. Ang N-type doping ay isinasagawa sa tuktok ng layer ng GE. Ang isang metal-semiconductor-metal (MSM) photodiode ay ipinapakita sa gitna, at isang APD (Avalanche Photodetector) ay ipinapakita sa kanan. Ang rehiyon ng avalanche sa APD ay matatagpuan sa SI, na may mas mababang mga katangian ng ingay kumpara sa rehiyon ng avalanche sa mga elementong elemento ng III-V.

Sa kasalukuyan, walang mga solusyon na may halatang pakinabang sa pagsasama ng optical gain na may mga photonics ng silikon. Ipinapakita ng Figure 11 ang ilang mga posibleng pagpipilian na inayos ayon sa antas ng pagpupulong. Sa malayong kaliwa ay ang mga pagsasama ng monolitik na kasama ang paggamit ng epitaxially lumago na germanium (GE) bilang isang optical gain material, erbium-doped (ER) glass waveguides (tulad ng AL2O3, na nangangailangan ng optical pumping), at epitaxially lumago gallium arsenide (GAAS) dami ng mga tuldok. Ang susunod na haligi ay wafer sa wafer assembly, na kinasasangkutan ng oxide at organikong bonding sa III-V group gain region. Ang susunod na haligi ay chip-to-wafer assembly, na nagsasangkot sa pag-embed ng iII-V group chip sa lukab ng silikon na wafer at pagkatapos ay machining ang istruktura ng waveguide. Ang bentahe ng unang tatlong diskarte sa haligi na ito ay ang aparato ay maaaring ganap na functional na nasubok sa loob ng wafer bago ang pagputol. Ang kanan-pinaka-haligi ay chip-to-chip assembly, kabilang ang direktang pagkabit ng silikon chips sa III-V group chips, pati na rin ang pagsasama sa pamamagitan ng lens at rehas na mga coupler. Ang takbo patungo sa mga komersyal na aplikasyon ay lumilipat mula sa kanan hanggang sa kaliwang bahagi ng tsart patungo sa mas integrated at integrated solution.

Larawan 11: Paano ang optical gain ay isinama sa mga photonics na batay sa silikon. Habang lumilipat ka mula kaliwa hanggang kanan, ang punto ng insertion ng pagmamanupaktura ay unti -unting gumagalaw sa proseso.