Aktibong elemento ng silikon na photonics

Aktibong elemento ng silikon na photonics

Ang mga aktibong bahagi ng photonics ay partikular na tumutukoy sa sadyang dinisenyong mga dinamikong interaksyon sa pagitan ng liwanag at materya. Ang isang tipikal na aktibong bahagi ng photonics ay isang optical modulator. Lahat ng kasalukuyang nakabatay sa siliconmga optical modulatoray batay sa plasma free carrier effect. Ang pagbabago ng bilang ng mga libreng electron at hole sa isang materyal na silicon sa pamamagitan ng doping, electrical o optical methods ay maaaring magbago sa complex refractive index nito, isang prosesong ipinapakita sa mga equation (1,2) na nakuha sa pamamagitan ng pag-aangkop ng data mula kina Soref at Bennett sa isang wavelength na 1550 nanometers. Kung ikukumpara sa mga electron, ang mga hole ay nagdudulot ng mas malaking proporsyon ng mga pagbabago sa real at imaginary refractive index, ibig sabihin, maaari silang makagawa ng mas malaking pagbabago sa phase para sa isang partikular na pagbabago sa loss, kaya saMga modulator ng Mach-Zehnderat mga ring modulator, karaniwang mas mainam na gumamit ng mga butas upang makagawamga phase modulator.

Ang iba't ibangmodulator ng silikon (Si)Ang mga uri ay ipinapakita sa Figure 10A. Sa isang carrier injection modulator, ang liwanag ay matatagpuan sa intrinsic silicon sa loob ng isang napakalawak na pin junction, at ang mga electron at hole ay ini-inject. Gayunpaman, ang mga naturang modulator ay mas mabagal, karaniwang may bandwidth na 500 MHz, dahil ang mga libreng electron at hole ay mas matagal na mag-recombine pagkatapos ng injection. Samakatuwid, ang istrukturang ito ay kadalasang ginagamit bilang isang variable optical attenuator (VOA) sa halip na isang modulator. Sa isang carrier depletion modulator, ang bahagi ng liwanag ay matatagpuan sa isang makitid na pn junction, at ang lapad ng depletion ng pn junction ay binabago ng isang inilapat na electric field. Ang modulator na ito ay maaaring gumana sa bilis na higit sa 50Gb/s, ngunit may mataas na background insertion loss. Ang karaniwang vpil ay 2 V-cm. Ang isang metal oxide semiconductor (MOS) (sa totoo lang semiconductor-oxide-semiconductor) modulator ay naglalaman ng isang manipis na oxide layer sa isang pn junction. Pinapayagan nito ang ilang akumulasyon ng carrier pati na rin ang pagkaubos ng carrier, na nagpapahintulot sa isang mas maliit na VπL na humigit-kumulang 0.2 V-cm, ngunit may disbentaha ng mas mataas na optical losses at mas mataas na capacitance bawat unit length. Bukod pa rito, may mga SiGe electrical absorption modulator na nakabatay sa SiGe (silicon Germanium alloy) band edge movement. Bukod pa rito, may mga graphene modulator na umaasa sa graphene upang lumipat sa pagitan ng mga absorbing metal at transparent insulator. Ipinapakita nito ang pagkakaiba-iba ng mga aplikasyon ng iba't ibang mekanismo upang makamit ang high-speed, low-loss optical signal modulation.

Pigura 10: (A) Cross-sectional diagram ng iba't ibang disenyo ng silicon-based optical modulator at (B) cross-sectional diagram ng mga disenyo ng optical detector.

Ilang silicon-based light detector ang ipinapakita sa Figure 10B. Ang sumisipsip na materyal ay germanium (Ge). Kayang sipsipin ng Ge ang liwanag sa mga wavelength hanggang sa humigit-kumulang 1.6 microns. Ang ipinapakita sa kaliwa ay ang pinakamatagumpay sa komersyo na pin structure ngayon. Ito ay binubuo ng P-type doped silicon kung saan tumutubo ang Ge. Ang Ge at Si ay may 4% lattice mismatch, at upang mabawasan ang dislocation, isang manipis na layer ng SiGe ang unang pinatubo bilang buffer layer. Isinasagawa ang N-type doping sa itaas ng Ge layer. Isang metal-semiconductor-metal (MSM) photodiode ang 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 katangian ng ingay kumpara sa rehiyon ng avalanche sa mga elementong materyales ng Group III-V.

Sa kasalukuyan, walang mga solusyon na may malinaw na bentahe sa pagsasama ng optical gain sa silicon photonics. Ipinapakita ng Figure 11 ang ilang posibleng opsyon na inayos ayon sa antas ng assembly. Sa dulong kaliwa ay ang mga monolithic integration na kinabibilangan ng paggamit ng epitaxially grown germanium (Ge) bilang isang optical gain material, erbium-doped (Er) glass waveguides (tulad ng Al2O3, na nangangailangan ng optical pumping), at epitaxially grown gallium arsenide (GaAs) quantum dots. 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 pagma-machine ng waveguide structure. Ang bentahe ng unang three column approach na ito ay ang device ay maaaring ganap na magamit sa loob ng wafer bago putulin. Ang pinakakanan na column ay chip-to-chip assembly, kabilang ang direktang pagkabit ng mga silicon chip sa III-V group chips, pati na rin ang pagkabit sa pamamagitan ng lens at grating couplers. Ang kalakaran patungo sa mga komersyal na aplikasyon ay lumilipat mula kanan patungo sa kaliwang bahagi ng tsart patungo sa mas pinagsama at pinagsamang mga solusyon.

Pigura 11: Paano isinasama ang optical gain sa silicon-based photonics. Habang lumilipat ka mula kaliwa pakanan, unti-unting bumabalik ang manufacturing insertion point sa proseso.