Elemento attivo della fotonica al silicio
I componenti attivi della fotonica si riferiscono specificamente alle interazioni dinamiche progettate intenzionalmente tra luce e materia. Un tipico componente attivo della fotonica è un modulatore ottico. Tutti gli attuali dispositivi a base di siliciomodulatori otticisi basano sull'effetto del portatore libero di plasma. Modificando il numero di elettroni e lacune liberi in un materiale di silicio mediante drogaggio, metodi elettrici o ottici, è possibile modificarne l'indice di rifrazione complesso, un processo mostrato nelle equazioni (1, 2) ottenute adattando i dati di Soref e Bennett a una lunghezza d'onda di 1550 nanometri. Rispetto agli elettroni, le lacune causano una percentuale maggiore delle variazioni dell'indice di rifrazione reale e immaginario, ovvero 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 i fori per realizzaremodulatori di fase.
I varimodulatore di silicio (Si)I tipi sono mostrati in Figura 10A. In un modulatore a iniezione di portatori, la luce è localizzata nel silicio intrinseco all'interno di una giunzione pin molto ampia, e vengono iniettati elettroni e lacune. Tuttavia, tali modulatori sono più lenti, tipicamente con una larghezza di banda di 500 MHz, poiché elettroni e lacune liberi 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 deplezione di portatori, la porzione luminosa è localizzata in una giunzione pn stretta, e la larghezza di deplezione della giunzione pn viene modificata da un campo elettrico applicato. Questo modulatore può operare a velocità superiori a 50 Gb/s, ma presenta un'elevata perdita di inserzione di fondo. Il VPI tipico è di 2 V-cm. Un modulatore MOS (metal oxide semiconductor) (in realtà semiconduttore-ossido-semiconduttore) contiene un sottile strato di ossido in una giunzione pn. Permette un certo accumulo di portatori e un certo impoverimento di essi, consentendo un VπL inferiore di circa 0,2 V-cm, ma presenta lo svantaggio di maggiori perdite ottiche e una maggiore capacità per unità di lunghezza. Inoltre, esistono modulatori di assorbimento elettrico in SiGe basati sul movimento del bordo di banda in SiGe (lega di silicio-germanio). Esistono inoltre modulatori in grafene che sfruttano il grafene per commutare tra metalli assorbenti e isolanti trasparenti. Questi dimostrano la varietà di applicazioni di diversi meccanismi per ottenere una modulazione del segnale ottico ad alta velocità e basse perdite.
Figura 10: (A) Diagramma trasversale di vari progetti di modulatori ottici basati sul silicio e (B) diagramma trasversale di progetti di rilevatori ottici.
Diversi rivelatori di luce a base di silicio sono mostrati in Figura 10B. Il materiale assorbente è il germanio (Ge). Il 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 pin di maggior successo commerciale oggi. È composta da silicio drogato di tipo P su cui cresce il Ge. Ge e Si presentano un disadattamento reticolare del 4% e, per minimizzare la dislocazione, viene prima coltivato un sottile strato di SiGe come strato tampone. Il drogaggio di tipo N viene eseguito sulla superficie dello strato di Ge. Al centro è mostrato un fotodiodo metallo-semiconduttore-metallo (MSM) e un APD (Fotodetector per valanga) è mostrato a destra. La regione a valanga nell'APD si trova nel Si, che presenta caratteristiche di rumore inferiori rispetto alla regione a valanga nei materiali elementari del Gruppo III-V.
Attualmente, non esistono soluzioni con evidenti vantaggi nell'integrazione del guadagno ottico con la fotonica al silicio. La Figura 11 mostra diverse possibili opzioni organizzate per livello di assemblaggio. All'estrema sinistra si trovano integrazioni monolitiche che includono l'uso di germanio (Ge) cresciuto epitassialmente come materiale per il guadagno ottico, guide d'onda in vetro drogato con erbio (Er) (come Al₂O₂, che richiede pompaggio ottico) e punti quantici in arseniuro di gallio (GaAs) cresciuti epitassialmente. La colonna successiva riguarda l'assemblaggio wafer-wafer, che prevede il legame di ossido e di materiale organico nella regione di guadagno del gruppo III-V. La colonna successiva riguarda l'assemblaggio chip-wafer, che prevede l'inserimento del chip del gruppo III-V nella cavità del wafer di silicio e la successiva lavorazione meccanica 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, che include l'accoppiamento diretto di chip di silicio a chip del gruppo III-V, nonché l'accoppiamento tramite accoppiatori a lente e a 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 viene integrato nella fotonica al silicio. Spostandosi da sinistra a destra, il punto di inserimento del processo produttivo si sposta gradualmente indietro.
Data di pubblicazione: 22 luglio 2024