Silicon Photonics yếu tố hoạt động

Silicon Photonics yếu tố hoạt động

Các thành phần hoạt động của Photonics đề cập cụ thể đến các tương tác động được thiết kế có chủ ý giữa ánh sáng và vật chất. Một thành phần hoạt động điển hình của quang tử là một bộ điều biến quang học. Tất cả dựa trên silicon hiện tạiBộ điều biến quang họcdựa trên hiệu ứng tàu sân bay miễn phí plasma. Thay đổi số lượng electron và lỗ tự do trong vật liệu silicon bằng cách pha tạp, các phương pháp điện hoặc quang học có thể thay đổi chỉ số khúc xạ phức tạp của nó, một quá trình được hiển thị trong các phương trình (1,2) thu được bằng cách lắp dữ liệu từ Soref và Bennett ở bước sóng 1550 nanomet. So với các electron, các lỗ hổng gây ra tỷ lệ lớn hơn của thay đổi chỉ số khúc xạ thực và tưởng tượng, nghĩa là chúng có thể tạo ra sự thay đổi pha lớn hơn đối với thay đổi tổn thất nhất định, do đóBộ điều biến Mach-Zehndervà các bộ điều biến vòng, nó thường được ưa thích để sử dụng các lỗ để thực hiệnBộ điều biến giai đoạn.

Các khác nhauBộ điều biến silicon (SI)Các loại được hiển thị trong Hình 10A. Trong một bộ điều biến tiêm sóng mang, ánh sáng được đặt trong silicon nội tại trong một điểm nối rất rộng, và các electron và lỗ hổng được tiêm. Tuy nhiên, các bộ điều biến như vậy chậm hơn, thường là băng thông 500 MHz, vì các electron và lỗ hổng miễn phí mất nhiều thời gian hơn để kết hợp lại sau khi tiêm. Do đó, cấu trúc này thường được sử dụng như một bộ suy giảm quang học (VOA) thay vì bộ điều biến. Trong bộ điều biến suy giảm chất mang, phần ánh sáng được đặt trong điểm nối PN hẹp và chiều rộng suy giảm của đường giao nhau PN được thay đổi bởi một điện trường ứng dụng. Bộ điều biến này có thể hoạt động ở tốc độ vượt quá 50GB/giây, nhưng bị mất chèn nền cao. VPIL điển hình là 2 V-CM. Một bộ điều biến chất bán dẫn oxit kim loại (MOS) (thực tế là chất bán dẫn-oxide-semiancator) có chứa một lớp oxit mỏng trong đường nối PN. Nó cho phép một số tích lũy chất mang cũng như sự suy giảm chất mang, cho phép VπL nhỏ hơn khoảng 0,2 V-CM, nhưng có nhược điểm của tổn thất quang học cao hơn và điện dung cao hơn trên mỗi đơn vị chiều dài. Ngoài ra, còn có các bộ điều biến hấp thụ điện SIGE dựa trên chuyển động cạnh dải SIGE (Silicon Germanium Alloy). Ngoài ra, có các bộ điều biến graphene dựa vào graphene để chuyển đổi giữa việc hấp thụ kim loại và chất cách điện trong suốt. Chúng chứng minh sự đa dạng của các ứng dụng của các cơ chế khác nhau để đạt được điều chế tín hiệu quang tốc độ thấp, mất thấp.

Hình 10: (a) Sơ đồ mặt cắt ngang của các thiết kế điều chế quang học dựa trên silicon khác nhau và (b) sơ đồ cắt ngang của các thiết kế máy dò quang.

Một số máy dò ánh sáng dựa trên silicon được hiển thị trong Hình 10b. Các vật liệu hấp thụ là germanium (GE). GE có thể hấp thụ ánh sáng ở bước sóng xuống khoảng 1,6 micron. Thể hiện bên trái là cấu trúc pin thành công nhất về mặt thương mại hiện nay. Nó bao gồm silicon pha tạp loại P trên đó GE phát triển. GE và SI có sự không phù hợp 4% mạng, và để giảm thiểu sự trật khớp, một lớp SIGE mỏng được phát triển đầu tiên như một lớp đệm. Doping loại N được thực hiện trên đỉnh của lớp GE. Một photodiode kim loại-semocoluctor-metal (MSM) được hiển thị ở giữa và APD (Avalanche Photodetector) được hiển thị ở bên phải. Vùng tuyết lở ở APD nằm ở SI, có đặc điểm nhiễu thấp hơn so với vùng tuyết lở trong các vật liệu nguyên tố nhóm III-V.

Hiện tại, không có giải pháp nào có lợi thế rõ ràng trong việc tích hợp mức tăng quang học với quang tử silicon. Hình 11 cho thấy một số tùy chọn có thể được tổ chức theo cấp độ lắp ráp. Ở phía bên trái là các tích hợp nguyên khối bao gồm việc sử dụng Germanium (GE) được trồng epitax bằng vật liệu tăng quang học, các ống dẫn sóng thủy tinh pha tạp (ER) (như AL2O3, đòi hỏi phải bơm quang học) và các dấu chấm lượng lượng tử (GAA) được trồng bằng gallium arsenide. Cột tiếp theo là lắp ráp wafer đến wafer, liên quan đến oxit và liên kết hữu cơ trong khu vực tăng nhóm III-V. Cột tiếp theo là lắp ráp chip-to wafer, liên quan đến việc nhúng chip nhóm III-V vào khoang của wafer silicon và sau đó gia công cấu trúc ống dẫn sóng. Ưu điểm của cách tiếp cận ba cột đầu tiên này là thiết bị có thể được thử nghiệm đầy đủ chức năng bên trong wafer trước khi cắt. Cột bên phải nhất là lắp ráp chip-to-chip, bao gồm cả việc ghép trực tiếp các chip silicon với các chip nhóm III-V, cũng như khớp nối qua ống kính và các khớp nối. Xu hướng hướng tới các ứng dụng thương mại đang di chuyển từ bên phải sang bên trái của biểu đồ hướng tới các giải pháp tích hợp và tích hợp hơn.

Hình 11: Làm thế nào mức tăng quang học được tích hợp vào quang tử dựa trên silicon. Khi bạn di chuyển từ trái sang phải, điểm chèn sản xuất dần dần trở lại trong quá trình này.