Elemento attivo fotonico del silicio
I componenti attivi della fotonica si riferiscono specificamente alle interazioni dinamiche intenzionalmente progettate 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 del portatore libero dal plasma. La modifica del numero di elettroni e lacune liberi in un materiale di silicio mediante drogaggio, metodi elettrici o ottici può modificare il suo indice di rifrazione complesso, un processo mostrato nelle equazioni (1,2) ottenuto adattando i dati di Soref e Bennett a una lunghezza d'onda di 1550 nanometri . Rispetto agli elettroni, le lacune causano una proporzione maggiore delle variazioni dell’indice di rifrazione reale e immaginario, cioè possono produrre una variazione di fase maggiore per una data variazione di perdita, quindi inModulatori Mach-Zehndere modulatori ad anello, di solito si preferisce utilizzare dei fori da realizzaremodulatori di fase.
I varimodulatore di silicio (Si).i tipi sono mostrati nella Figura 10A. In un modulatore a iniezione di portante, la luce si trova nel silicio intrinseco all'interno di una giunzione a pin molto ampia e vengono iniettati elettroni e lacune. Tuttavia, tali modulatori sono più lenti, tipicamente con una larghezza di banda di 500 MHz, perché gli elettroni liberi e le lacune impiegano più tempo a ricombinarsi dopo l'iniezione. Pertanto, questa struttura viene spesso utilizzata come attenuatore ottico variabile (VOA) piuttosto che come modulatore. In un modulatore a svuotamento della portante, la porzione luminosa si trova in una stretta giunzione pn e l'ampiezza di svuotamento della giunzione pn viene modificata da un campo elettrico applicato. Questo modulatore può funzionare a velocità superiori a 50 Gb/s, ma presenta un'elevata perdita di inserzione in background. Il vpil tipico è 2 V-cm. Un modulatore a semiconduttore di ossido di metallo (MOS) (in realtà semiconduttore-ossido-semiconduttore) contiene un sottile strato di ossido in una giunzione pn. Consente l'accumulo e l'esaurimento del portatore, consentendo un VπL più piccolo di circa 0,2 V-cm, ma presenta lo svantaggio di perdite ottiche più elevate e una capacità più elevata per unità di lunghezza. Inoltre, sono disponibili modulatori di assorbimento elettrico SiGe basati sul movimento del bordo della banda SiGe (lega di silicio-germanio). Inoltre, esistono modulatori di grafene che si basano sul grafene per passare dai metalli assorbenti agli isolanti trasparenti. Questi dimostrano la diversità delle applicazioni di diversi meccanismi per ottenere una modulazione del segnale ottico ad alta velocità e con poche perdite.
Figura 10: (A) diagramma in sezione trasversale di vari progetti di modulatori ottici basati su silicio e (B) diagramma in sezione trasversale di progetti di rilevatori ottici.
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. A sinistra è mostrata la struttura a perni di maggior successo commerciale oggi. È composto da silicio drogato di tipo P su cui cresce Ge. Ge e Si hanno una discrepanza reticolare del 4% e, per ridurre al minimo la dislocazione, un sottile strato di SiGe viene prima cresciuto come strato tampone. Il drogaggio di tipo N viene eseguito sulla parte superiore dello strato di Ge. Al centro è mostrato un fotodiodo metallo-semiconduttore-metallo (MSM) e un APD (Fotorilevatore di valanghe) è mostrato a destra. La regione della valanga in APD si trova in Si, che ha caratteristiche di rumore inferiori rispetto alla regione della valanga nei materiali elementari del gruppo III-V.
Al momento non esistono soluzioni con evidenti vantaggi nell'integrazione del guadagno ottico con la fotonica del silicio. La Figura 11 mostra diverse opzioni possibili organizzate per livello di assieme. All'estrema sinistra ci sono integrazioni monolitiche che includono l'uso di germanio (Ge) cresciuto epitassialmente come materiale di guadagno ottico, guide d'onda in vetro drogato con erbio (Er) (come Al2O3, che richiede pompaggio ottico) e arseniuro di gallio cresciuto epitassialmente (GaAs ) punti quantici. La colonna successiva è l'assemblaggio da wafer a wafer, che coinvolge l'ossido e il legame organico nella regione di guadagno del gruppo III-V. La colonna successiva riguarda l'assemblaggio chip-to-wafer, che prevede l'inclusione del chip del gruppo III-V nella cavità del wafer di silicio e la successiva 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 del taglio. La colonna più a destra riguarda l'assemblaggio chip-to-chip, compreso l'accoppiamento diretto dei chip di silicio con i chip del gruppo III-V, nonché l'accoppiamento tramite accoppiatori a lente e reticolo. La tendenza verso le applicazioni commerciali si sta spostando dal lato destro a quello sinistro del grafico verso soluzioni più integrate e integrate.
Figura 11: Come il guadagno ottico è integrato nella fotonica basata sul silicio. Man mano che ci si sposta da sinistra a destra, il punto di inserimento della produzione si sposta gradualmente indietro nel processo.
Orario di pubblicazione: 22 luglio 2024