Aktivt Element vum Siliziumphotonik

Aktivt Element vum Siliziumphotonik

Photonik-aktiv Komponenten bezéie sech speziell op absichtlech entworf dynamesch Interaktiounen tëscht Liicht a Matière. Eng typesch aktiv Komponent vun der Photonik ass en optesche Modulator. All aktuell Siliziumbaséiert ...optesch Modulatorenbaséieren op dem plasmafräie Carrier-Effekt. D'Ännerung vun der Zuel vu fräien Elektronen a Lächer an engem Siliziummaterial duerch Dotierung, elektresch oder optesch Methoden kann säin komplexe Breechungsindex änneren, e Prozess, deen an den Equatiounen (1,2) gewisen ass, déi duerch d'Upassung vun Daten vu Soref a Bennett bei enger Wellelängt vun 1550 Nanometer kritt goufen. Am Verglach mat Elektronen verursaachen Lächer e gréisseren Undeel vun de reellen an imaginäre Breechungsindexännerungen, dat heescht, si kënnen eng méi grouss Phasännerung fir eng bestëmmte Verloschtännerung produzéieren, sou datt anMach-Zehnder Modulatorena Ringmodulatoren, ass et normalerweis léiwer Lächer ze benotzen fir ze maachenPhasenmodulatoren.

Déi verschiddenSilizium (Si) ModulatorD'Typen ginn an der Figur 10A gewisen. An engem Trägerinjektiounsmodulator ass d'Liicht am intrinsesche Silizium an enger ganz breeder Pin-Verbindung lokaliséiert, an Elektronen a Lächer ginn injizéiert. Wéi och ëmmer, sou Modulatoren si méi lues, typescherweis mat enger Bandbreet vu 500 MHz, well fräi Elektronen a Lächer méi laang brauchen fir no der Injektioun ze rekombinéieren. Dofir gëtt dës Struktur dacks als variablen opteschen Dämpfer (VOA) anstatt als Modulator benotzt. An engem Trägerverarmungsmodulator ass den Liichtdeel an enger schmueler PN-Verbindung lokaliséiert, an d'Verarmungsbreet vun der PN-Verbindung gëtt duerch en ugewandten elektresche Feld geännert. Dëse Modulator kann mat Geschwindegkeete vu méi wéi 50 Gb/s funktionéieren, awer huet e groussen Hannergrond-Insertiounsverloscht. Déi typesch Vpil ass 2 V-cm. E Metalloxid-Hallefleeder (MOS) (eigentlech Halfleder-Oxid-Hallefleeder) Modulator enthält eng dënn Oxidschicht an enger PN-Verbindung. Et erlaabt eng gewëss Akkumulatioun vun Trägerträger souwéi eng Ofsenkung vun den Trägerträger, wat e méi klenge VπL vun ongeféier 0,2 V-cm erméiglecht, awer huet den Nodeel vun héijen optesche Verloschter a méi héijer Kapazitéit pro Längteenheet. Zousätzlech gëtt et SiGe-Modulatoren, déi op der Bandkantbewegung vu SiGe (Silizium-Germanium-Legierung) baséieren. Zousätzlech gëtt et Graphen-Modulatoren, déi op Graphen vertrauen, fir tëscht absorbéierende Metaller an transparenten Isolatoren ze wiesselen. Dës demonstréieren d'Diversitéit vun den Uwendungen vu verschiddene Mechanismen, fir eng séier a verloschtarm optesch Signalmodulatioun z'erreechen.

Figur 10: (A) Querschnittsdiagramm vun ënnerschiddlechen opteschen Modulatoren op Siliziumbasis an (B) Querschnittsdiagramm vun opteschen Detektoren.

Verschidde Liichtdetektoren op Siliziumbasis sinn an der Figur 10B gewisen. Dat absorbéierend Material ass Germanium (Ge). Ge kann Liicht a Wellelängten bis zu ongeféier 1,6 Mikrometer absorbéieren. Lénks ass déi kommerziell erfollegräichst Pinstruktur haut gewisen. Si besteet aus P-Typ dotiertem Silizium, op deem Ge wiisst. Ge a Si hunn eng Gittermismatch vu 4%, a fir d'Dislokatioun ze minimiséieren, gëtt als éischt eng dënn Schicht SiGe als Pufferschicht ugebaut. N-Typ Dotierung gëtt uewen op der Ge-Schicht duerchgefouert. Eng Metall-Hallefleiter-Metall (MSM) Photodiod ass an der Mëtt gewisen, an eng APD (Lawinen-Fotodetektor) gëtt riets gewisen. D'Lawinenregioun an APD läit a Si, wat méi niddreg Rauscheegeschafte huet am Verglach mat der Lawinenregioun an elementar Materialien aus der Grupp III-V.

Am Moment gëtt et keng Léisunge mat offensichtleche Virdeeler bei der Integratioun vum optesche Verstärkungsmëttel mat Siliziumphotonik. Figur 11 weist verschidde méiglech Optiounen, déi no Montageniveau organiséiert sinn. Ganz lénks sinn monolithesch Integratiounen, déi d'Benotzung vun epitaktesch gewuessem Germanium (Ge) als optescht Verstärkungsmaterial, Erbium-dotiert (Er) Glaswellenleiter (wéi Al2O3, déi optesch Pompelen erfuerderen) an epitaktesch gewuess Galliumarsenid (GaAs) Quantepunkte enthalen. Déi nächst Kolonn ass d'Wafer-zu-Wafer-Montage, déi Oxid- a organesch Bindungen am III-V Gruppenverstärkungsberäich involvéiert. Déi nächst Kolonn ass d'Chip-zu-Wafer-Montage, déi d'Abettung vum III-V Gruppenchip an d'Hovalitéit vum Siliziumwafer an d'Schneidung vun der Wellenleiterstruktur involvéiert. De Virdeel vun dësem éischten dräi-Sailen-Usaz ass, datt den Apparat virum Schnëtt vollstänneg funktionell am Wafer getest ka ginn. Déi ganz riets Kolonn ass d'Chip-zu-Chip-Montage, inklusiv direkter Kopplung vu Siliziumchips un III-V Gruppenchips, souwéi Kopplung iwwer Lënsen- a Gitterkoppler. Den Trend a Richtung kommerziellen Uwendungen beweegt sech vun der rietser op déi lénks Säit vun der Grafik a Richtung méi integréiert an integréiert Léisungen.

Figur 11: Wéi den optesche Verstärkungsgrad an der Siliziumbaséierter Photonik integréiert gëtt. Wann ee vu lénks no riets geet, beweegt sech den Asazpunkt vun der Fabrikatioun am Prozess lues a lues zréck.