Phần tử hoạt động quang tử silicon

Phần tử hoạt động quang tử silicon

Linh kiện hoạt động của quang tử đề cập cụ thể đến các tương tác động được thiết kế có chủ đích giữa ánh sáng và vật chất. Một linh kiện hoạt động điển hình của quang tử là bộ điều biến quang học. Tất cả các linh kiện silicon hiện tạibộ điều biến quang họcdựa trên hiệu ứng hạt tải tự do plasma. Việc thay đổi số lượng electron và lỗ trống tự do trong vật liệu silicon bằng các phương pháp pha tạp, điện hoặc quang có thể làm thay đổi chiết suất phức tạp của nó, một quá trình được thể hiện trong các phương trình (1,2) thu được bằng cách khớp dữ liệu từ Soref và Bennett ở bước sóng 1550 nanomet. So với electron, lỗ trống gây ra tỷ lệ thay đổi chiết suất thực và ảo lớn hơn, nghĩa là chúng có thể tạo ra sự thay đổi pha lớn hơn cho một thay đổi tổn hao nhất định, do đóBộ điều biến Mach-Zehndervà bộ điều biến vòng, người ta thường thích sử dụng lỗ để tạo rabộ điều biến pha.

Các loại khác nhaubộ điều biến silicon (Si)các loại được thể hiện trong Hình 10A. Trong bộ điều biến tiêm hạt mang, ánh sáng nằm trong silic nội tại bên trong một mối nối chân rất rộng và các electron và lỗ trống được tiêm vào. Tuy nhiên, các bộ điều biến như vậy chậm hơn, thường có băng thông 500 MHz, vì các electron và lỗ trống tự do mất nhiều thời gian hơn để kết hợp lại sau khi tiêm. Do đó, cấu trúc này thường được sử dụng làm bộ suy giảm quang học thay đổi (VOA) hơn là bộ điều biến. Trong bộ điều biến cạn kiệt hạt mang, phần ánh sáng nằm trong một mối nối pn hẹp và chiều rộng cạn kiệt của mối nối pn bị thay đổi bởi một điện trường được áp dụng. Bộ điều biến này có thể hoạt động ở tốc độ vượt quá 50Gb/giây, nhưng có suy hao chèn nền cao. Vpil điển hình là 2 V-cm. Bộ điều biến bán dẫn oxit kim loại (MOS) (thực tế là bán dẫn-oxit-bán dẫn) chứa một lớp oxit mỏng trong một mối nối pn. Nó cho phép tích lũy một số hạt tải điện cũng như làm suy giảm hạt tải điện, cho phép VπL nhỏ hơn khoảng 0,2 V-cm, nhưng có nhược điểm là tổn hao quang học cao hơn và điện dung trên một đơn vị chiều dài cao hơn. Ngoài ra, còn có các bộ điều biến hấp thụ điện SiGe dựa trên chuyển động cạnh dải SiGe (hợp kim silicon-Germani). Ngoài ra, còn có các bộ điều biến graphene dựa trên graphene để chuyển đổi giữa kim loại hấp thụ và chất cách điện trong suốt. Những điều này 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 cao, tổn hao thấp.

Hình 10: (A) Sơ đồ mặt cắt ngang của nhiều thiết kế bộ điều biến quang học dựa trên silicon và (B) sơ đồ mặt cắt ngang của các thiết kế bộ dò quang học.

Hình 10B minh họa một số bộ cảm biến ánh sáng dựa trên silicon. Vật liệu hấp thụ là germani (Ge). Ge có khả năng hấp thụ ánh sáng ở bước sóng xuống đến khoảng 1,6 micron. Hình bên trái là cấu trúc chân cắm thành công nhất về mặt thương mại hiện nay. Nó được cấu tạo từ silicon pha tạp loại P mà Ge phát triển trên đó. Ge và Si có độ lệch mạng 4%, và để giảm thiểu sự lệch vị trí, trước tiên, một lớp mỏng SiGe được phát triển làm lớp đệm. Pha tạp loại N được thực hiện trên đỉnh của lớp Ge. Một điốt quang kim loại-bán dẫn-kim loại (MSM) được hiển thị ở giữa, và một APD (máy dò quang tuyết lở) được hiển thị bên phải. Vùng tuyết lở trong APD nằm trong Si, có đặc tính nhiễu thấp hơn so với vùng tuyết lở trong vật liệu nguyên tố Nhóm III-V.

Hiện tại, không có giải pháp nào có lợi thế rõ ràng trong việc tích hợp độ lợi quang học với quang tử silicon. Hình 11 cho thấy một số tùy chọn khả thi được sắp xếp theo cấp độ lắp ráp. Ở phía bên trái là các tích hợp đơn khối bao gồm việc sử dụng germani (Ge) phát triển theo phương pháp epitaxial làm vật liệu tăng độ lợi quang học, ống dẫn sóng thủy tinh pha tạp erbi (Er) (chẳng hạn như Al2O3, đòi hỏi phải bơm quang học) và các chấm lượng tử gali arsenide (GaAs) phát triển theo phương pháp epitaxial. Cột tiếp theo là lắp ráp wafer-to-wafer, liên quan đến liên kết oxit và hữu cơ trong vùng tăng độ lợi 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 phương pháp ba cột đầu tiên này là thiết bị có thể được kiểm tra đầy đủ chức năng bên trong wafer trước khi cắt. Cột ngoài cùng bên phải là lắp ráp chip-to-chip, bao gồm ghép nối trực tiếp chip silicon với chip nhóm III-V, cũng như ghép nối thông qua bộ ghép thấu kính và lưới. Xu hướng hướng tới các ứng dụng thương mại đang dịch chuyển từ bên phải sang bên trái của biểu đồ theo hướng các giải pháp tích hợp và tích hợp hơn.

Hình 11: Cách tích hợp độ khuếch đại quang học vào quang tử học nền silicon. Khi bạn di chuyển từ trái sang phải, điểm chèn sản xuất sẽ dần dần di chuyển về phía sau.