Elemento attivo della fotonica del silicio

Elemento attivo della fotonica del silicio

I componenti attivi della fotonica si riferiscono specificamente a interazioni dinamiche progettate intenzionalmente tra luce e materia. Un tipico componente attivo della fotonica è un modulatore ottico. Tutti gli attuali a base di siliciomodulatori otticisi basano sull'effetto portatore privo di plasma. La modifica del numero di elettroni e fori liberi in un materiale di silicio mediante metodi di doping, elettrici o ottici può modificare il suo indice di rifrazione complesso, un processo mostrato in equazioni (1,2) ottenuto adattando i dati da Soref e Bennett a una lunghezza d'onda di 1550 nanometri. Rispetto agli elettroni, i fori causano una percentuale maggiore degli indici di rifrazione reale e immaginario, cioè possono produrre un cambiamento di fase maggiore per una determinata variazione di perdita, quindi inModulatori mach-zehndere modulatori ad anello, di solito è preferito usare buchi per faremodulatori di fase.

I variModulatore di silicio (Si)I tipi sono mostrati nella Figura 10A. In un modulatore di iniezione portante, la luce si trova in silicio intrinseco all'interno di una giunzione PIN molto ampia e vengono iniettati elettroni e fori. Tuttavia, tali modulatori sono più lenti, in genere con una larghezza di banda di 500 MHz, perché elettroni e fori liberi richiedono più tempo per ricombinare dopo l'iniezione. Pertanto, questa struttura viene spesso usata come attenuatore ottico variabile (VOA) piuttosto che un modulatore. In un modulatore di deplezione portante, la parte leggera si trova in una stretta giunzione PN e la larghezza di esaurimento della giunzione PN viene modificata da un campo elettrico applicato. Questo modulatore può funzionare a velocità superiori a 50 GB/s, ma ha un'alta perdita di inserimento in background. Il tipico VPIL è 2 V-CM. Un modulatore a semiconduttore di ossido di metallo (MOS) (in realtà semiconduttore-ossido-semiconduttore) contiene uno strato di ossido sottile in una giunzione PN. Consente un certo accumulo di portatore e l'esaurimento del vettore, consentendo un VπL più piccolo di circa 0,2 V-CM, ma ha lo svantaggio di perdite ottiche più elevate e una maggiore capacità per unità di lunghezza. Inoltre, ci sono modulatori di assorbimento elettrico SIGE basati sul movimento del bordo della banda SIGE (in lega di germanio). Inoltre, ci sono modulatori di grafene che si basano sul grafene per passare da metalli assorbenti e isolanti trasparenti. Questi dimostrano la diversità di applicazioni di diversi meccanismi per ottenere una modulazione del segnale ottico ad alta velocità e bassa perdita.

Figura 10: (a) Diagramma della sezione trasversale di vari progetti di modulatori ottici a base di silicio e (b) diagramma trasversale della sezione trasversale dei progetti di rilevatore ottico.

Diversi rilevatori di luce a base di silicio sono mostrati nella Figura 10b. Il materiale assorbente è germanio (GE). GE è in grado di assorbire la luce a lunghezze d'onda fino a circa 1,6 micron. Oggi mostrato a sinistra è la struttura dei pin di maggior successo commerciale. È composto da silicio drogato di tipo P su cui cresce GE. GE e SI hanno una mancata corrispondenza reticolare al 4% e, per ridurre al minimo la dislocazione, un sottile strato di SIGE viene prima coltivato come strato tampone. Il doping di tipo N viene eseguito sulla parte superiore dello strato GE. Un fotodiodo di metallo-semiconduttore-metallo (MSM) è mostrato al centro e un APD (FotoDetector di valanghe) è mostrato a destra. La regione di valanga nell'APD si trova a SI, che ha caratteristiche di rumore più basse rispetto alla regione valanga nei materiali elementali del gruppo III-V.

Al momento, non ci sono soluzioni con evidenti vantaggi nell'integrazione del guadagno ottico con la fotonica del silicio. La Figura 11 mostra diverse possibili opzioni organizzate per livello di assemblaggio. All'estrema sinistra ci sono integrazioni monolitiche che includono l'uso di germanio (GE) coltivato epitassialmente come materiale di guadagno ottico, guide d'onda di vetro drogate dall'erbio (ER) (come Al2O3, che richiede pompaggio ottico) e arsenide di gallio (GAAS) cresciuti epitassialmente. La colonna successiva è il wafer per l'assemblaggio del wafer, che coinvolge ossido e legame organico nella regione di guadagno del gruppo III-V. La colonna successiva è l'assemblaggio di chip-to-wafer, che prevede l'integrazione del chip del gruppo III-V nella cavità del wafer di silicio e quindi la lavorazione della struttura della guida d'onda. Il vantaggio di questo primo approccio a tre colonne è che il dispositivo può essere testato completamente funzionale all'interno del wafer prima di tagliare. La colonna più a destra è il gruppo da chip-to-chip, incluso l'accoppiamento diretto di chip di silicio a chip di gruppo III-V, nonché accoppiamento tramite lenti e accoppiatori di griglia. La tendenza verso le applicazioni commerciali si sta spostando da destra al lato sinistro del grafico verso soluzioni più integrate e integrate.

Figura 11: come il guadagno ottico è integrato nella fotonica a base di silicio. Mentre si sposta da sinistra a destra, il punto di inserimento della produzione si sposta gradualmente nel processo.