Phần tử hoạt động photonic silicon

Phần tử hoạt động photonic silicon

Các thành phần hoạt động của photonics đề cập cụ thể đến các tương tác động được thiết kế có chủ đích giữa ánh sáng và vật chất. Một thành phần hoạt động điển hình của photonics là bộ điều biến quang học. Tất cả các thành phần dựa trên silicon hiện tạibộ điều biến quang họcdựa trên hiệu ứng hạt mang tự do plasma. Việc thay đổi số lượng electron và lỗ trống tự do trong vật liệu silicon bằng phương pháp pha tạp, điện hoặc quang có thể 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 sự thay đổi tổn thất nhất định, do đó trongBộ điều biến Mach-Zehndervà bộ điều biến vòng, người ta thường thích sử dụng lỗ để tạo rabộ điều biến pha.

Các loại khác nhauchất điều biến silicon (Si)các loại được hiển thị trong Hình 10A. Trong bộ điều biến tiêm hạt mang, ánh sáng nằm trong silicon 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 như một bộ suy giảm quang học thay đổi (VOA) hơn là một 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 trường điện được áp dụng. Bộ điều biến này có thể hoạt động ở tốc độ vượt quá 50Gb/giây, nhưng có tổn thất 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 một số tích tụ chất mang cũng như sự suy giảm chất mang, cho phép VπL nhỏ hơn khoảng 0,2 V-cm, nhưng có nhược điểm là tổn thất quang học cao hơn và điện dung cao hơn trên một đơn vị chiều dài. Ngoài ra, còn có các bộ điều biến hấp thụ điện SiGe dựa trên chuyển động cạnh dải SiGe (hợp kim silicon germanium). Ngoài ra, còn có các bộ điều biến graphene dựa vào graphene để chuyển đổi giữa các kim loại hấp thụ và các 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 học tốc độ cao, tổn thất 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 máy dò quang học.

Một số máy dò ánh sáng dựa trên silicon được thể hiện trong Hình 10B. Vật liệu hấp thụ là germani (Ge). Ge có thể hấp thụ ánh sáng ở bước sóng xuống đến khoảng 1,6 micron. Bên trái là cấu trúc chân cắm thành công nhất về mặt thương mại hiện nay. Nó bao gồm silicon pha tạp loại P mà Ge phát triển trên đó. Ge và Si có độ không khớp mạng 4% và để giảm thiểu sự dịch chuyển, một lớp mỏng SiGe được phát triển đầu tiên như một 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 thể hiện 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 độ lợi quang học, ống dẫn sóng thủy tinh pha tạp erbi (Er) (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 với wafer, liên quan đến liên kết oxit và hữu cơ trong vùng độ lợi nhóm III-V. Cột tiếp theo là lắp ráp chip với wafer, liên quan đến việc nhúng chip nhóm III-V vào khoang của wafer silicon rồi gia công cấu trúc ống dẫn sóng. Ưu điểm của phương pháp 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 ngoài cùng bên phải là lắp ráp chip với chip, bao gồm ghép nối trực tiếp chip silicon với chip nhóm III-V, cũng như ghép nối 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 lợi quang học vào photonic dựa trên silicon. Khi bạn di chuyển từ trái sang phải, điểm chèn sản xuất sẽ dần dần di chuyển trở lại trong quá trình này.