Yếu tố hoạt động quang tử silicon

Yếu tố hoạt động quang tử silicon

Các thành phần hoạt động của quang tử đặc biệt đề cập 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 bộ điều biến quang học. Tất cả các sản phẩm dựa trên silicon hiện tạibộ điều biến quangdựa trên hiệu ứng chất mang tự do trong huyết tương. Việc thay đổi số lượng electron tự do và lỗ trống trong vật liệu silicon bằng phương pháp pha tạp, điện hoặc quang học có thể làm thay đổi chỉ số khúc xạ phức tạp của nó, một quá trình được thể hiện trong 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 đối với một thay đổi tổn thất nhất định, do đó, trongBộ điều biến Mach-Zehndervà bộ điều biến vòng, người ta thường ưu tiên sử dụng các lỗ để tạo rabộ điều biến pha.

Sự đa dạngbộ điều biến silicon (Si)các loại được thể hiện trong Hình 10A. Trong bộ điều biến tiêm sóng mang, ánh sáng nằm trong silicon bên trong trong một điểm nối chân rất rộng, và các electron và lỗ trống được đưa vào. Tuy nhiên, những 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 thay đổi (VOA) hơn là bộ điều biến. Trong bộ điều biến suy giảm sóng mang, phần ánh sáng nằm trong một điểm nối pn hẹp và độ rộng suy giảm của điểm nối pn được thay đổi bởi một điện trường ứng dụng. Bộ điều biến này có thể hoạt động ở tốc độ vượt quá 50Gb/s nhưng có độ suy hao chèn nền cao. Vpil điển hình là 2 V-cm. Bộ điều biến chất bán dẫn oxit kim loại (MOS) (thực chất là chất bán dẫn-oxit-bán dẫn) chứa một lớp oxit mỏng trong một điểm 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 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 kim loại hấp thụ và chất cách điện trong suốt. Những điều này chứng tỏ sự đa dạng trong ứng dụng của các cơ chế khác nhau để đạt được điều chế tín hiệu quang tốc độ cao, tổn thất thấp.

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

Một số máy dò ánh sáng dựa trên silicon được thể hiện trong Hình 10B. Vật liệu hấp thụ là germanium (Ge). Ge có khả năng hấp thụ ánh sáng ở bước sóng xuống tới khoảng 1,6 micron. Hình 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 lệch mạng 4% và để giảm thiểu sự sai lệch, trước tiên một lớp SiGe mỏng được phát triển làm lớp đệm. Doping loại N được thực hiện trên đỉnh lớp Ge. Một photodiode kim loại-bán dẫn-kim loại (MSM) được hiển thị ở giữa và một APD (bộ tách sóng quang) được hiển thị bên phải. Vùng tuyết lở trong APD nằm ở Si, có đặc tính tiếng ồn thấp hơn so với vùng tuyết lở trong vật liệu nguyên tố Nhóm III-V.

Hiện tại, chưa có giải pháp nào có lợi thế rõ ràng trong việc tích hợp khuếch đại quang học với quang tử silicon. Hình 11 cho thấy một số tùy chọn có thể được sắp xếp theo cấp độ lắp ráp. Ở phía bên trái là các tích hợp nguyên khối bao gồm việc sử dụng germanium (Ge) được nuôi cấy epitaxy làm vật liệu khuếch đại quang học, các ống dẫn sóng thủy tinh pha tạp erbium (Er) (chẳng hạn như Al2O3, cần bơm quang) và gallium arsenide (GaAs) được nuôi cấy epitaxy ) chấm lượng tử. Cột tiếp theo là tổ hợp wafer với wafer, bao gồm oxit và liên kết hữu cơ trong vùng khuếch đại nhóm III-V. Cột tiếp theo là lắp ráp chip-to-wafer, bao gồm 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 tiếp cận ba cột đầu tiên này là thiết bị có thể được kiểm tra đầy đủ chức năng bên trong tấm bán dẫn trước khi cắt. Cột ngoài cùng bên phải là lắp ráp chip-chip, bao gồm việc ghép trực tiếp các chip silicon với các chip nhóm III-V, cũng như ghép nối thông qua các bộ ghép thấu kính và cách tử. Xu hướng hướng tới các ứng dụng thương mại đang chuyển từ bên phải sang bên trái của biểu đồ hướng tới các giải pháp tích hợp và tích hợp hơn.

Hình 11: Cách tích hợp khuếch đại quang học vào quang tử 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.