elemento attivo fotonico al 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 componenti basati sul siliciomodulatori otticisono basati sull'effetto dei portatori liberi del plasma. Cambiare il numero di elettroni e lacune liberi in un materiale di silicio mediante drogaggio, metodi elettrici o ottici può cambiare il suo 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 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 usare fori per realizzaremodulatori di fase.
I varimodulatore al silicio (Si)I tipi sono mostrati nella 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, perché gli elettroni e le 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 svuotamento di portatori, la porzione di luce è localizzata in una giunzione pn stretta e la larghezza di svuotamento 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 valore tipico di vpil è 2 V-cm. Un modulatore a semiconduttore a ossido di metallo (MOS) (in realtà semiconduttore-ossido-semiconduttore) contiene un sottile strato di ossido in una giunzione pn. Consente sia l'accumulo che l'esaurimento dei portatori di carica, permettendo un VπL più piccolo 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 ad assorbimento elettrico SiGe basati sul movimento del bordo di banda del SiGe (lega di silicio-germanio). Vi sono anche modulatori al grafene che si basano sul grafene per commutare tra metalli assorbenti e isolanti trasparenti. Questi esempi dimostrano la diversità di applicazioni di diversi meccanismi per ottenere una modulazione del segnale ottico ad alta velocità e a basse perdite.
Figura 10: (A) Diagramma in sezione trasversale di vari progetti di modulatori ottici a base di silicio e (B) diagramma in sezione trasversale di progetti di rivelatori ottici.
Nella Figura 10B sono mostrati diversi fotorivelatori a base di silicio. 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 pin di maggior successo commerciale oggi. È composta da silicio drogato di tipo P su cui cresce il Ge. Ge e Si hanno un disallineamento reticolare del 4% e, per minimizzare la dislocazione, viene prima cresciuto un sottile strato di SiGe 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 (Fotorivelatore di valanga) è mostrato a destra. La regione di valanga nell'APD si trova nel Si, che ha caratteristiche di rumore inferiori rispetto alla regione di valanga nei materiali elementari del Gruppo III-V.
Attualmente non esistono soluzioni con vantaggi evidenti 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 le integrazioni monolitiche che includono l'uso di germanio (Ge) cresciuto epitaxialmente come materiale per il guadagno ottico, guide d'onda in vetro drogato con erbio (Er) (come Al2O3, che richiede pompaggio ottico) e punti quantici di arseniuro di gallio (GaAs) cresciuti epitaxialmente. La colonna successiva mostra l'assemblaggio wafer-wafer, che prevede il legame con ossidi e materiali organici nella regione di guadagno del gruppo III-V. La colonna successiva mostra l'assemblaggio chip-wafer, che prevede l'incorporamento 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 a livello funzionale all'interno del wafer prima del taglio. La colonna più a destra mostra l'assemblaggio chip-chip, che include l'accoppiamento diretto dei chip di silicio ai 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 viene integrato il guadagno ottico nella fotonica basata sul silicio. Spostandosi da sinistra a destra, il punto di inserimento del processo produttivo si sposta gradualmente all'indietro.
Data di pubblicazione: 22 luglio 2024