عنصر فعال فوتونیک سیلیکون

عنصر فعال فوتونیک سیلیکون

مؤلفه های فعال فوتونیک به طور خاص به تعامل پویا عمداً بین نور و ماده اشاره می کنند. یک مؤلفه فعال معمولی از فوتونیک یک تعدیل کننده نوری است. همه مبتنی بر سیلیکون فعلیتعدیل کننده های نوریبر اساس اثر حامل بدون پلاسما است. تغییر تعداد الکترون ها و سوراخ های رایگان در یک ماده سیلیکون با استفاده از روشهای دوپینگ ، الکتریکی یا نوری می تواند ضریب شکست پیچیده خود را تغییر دهد ، فرایندی که در معادلات نشان داده شده است (1،2) به دست آمده با قرار دادن داده های SOREF و BENNETT در طول موج 1550 نانومتر. در مقایسه با الکترون ها ، سوراخ ها باعث می شوند بخش بیشتری از تغییرات ضریب انکسار واقعی و خیالی تغییر کنند ، یعنی آنها می توانند یک تغییر فاز بزرگتر برای تغییر ضرر خاص ایجاد کنند ، بنابراین درتعدیل کننده های ماچ-زردرو تعدیل کننده های حلقه ، معمولاً از استفاده از سوراخ ها برای ساخت ترجیح می دهیدتعدیل کننده های فاز.

مختلفتعدیل کننده سیلیکون (SI)انواع در شکل 10a نشان داده شده است. در یک تعدیل کننده تزریق حامل ، نور در سیلیکون ذاتی در یک محل اتصال پین بسیار گسترده قرار دارد و الکترون ها و سوراخ ها تزریق می شوند. با این حال ، چنین تعدیل کننده ها کندتر هستند ، به طور معمول با پهنای باند 500 مگاهرتز ، زیرا الکترون ها و سوراخ های رایگان بعد از تزریق دوباره نوترکیب می شوند. بنابراین ، این ساختار اغلب به عنوان یک ضعف نوری متغیر (VOA) به جای یک تعدیل کننده استفاده می شود. در یک تعدیل کننده تخلیه حامل ، قسمت نور در یک محل اتصال PN باریک قرار دارد و عرض کاهش محل اتصال PN توسط یک میدان الکتریکی کاربردی تغییر می یابد. این تعدیل کننده می تواند با سرعت بیش از 50 گیگابایت در ثانیه کار کند ، اما از دست دادن پس زمینه بالایی برخوردار است. VPIL معمولی 2 V-CM است. یک تعدیل کننده نیمه هادی اکسید فلزی (MOS) (در واقع نیمه هادی-اکسید-هادی-هادی) حاوی یک لایه اکسید نازک در یک محل اتصال PN است. این اجازه می دهد تا برخی از تجمع حامل و همچنین کاهش حامل ، Vπl کوچکتر در حدود 0.2 V-CM را فراهم کند ، اما ضرر ضررهای نوری بالاتر و ظرفیت بالاتر در طول واحد را دارد. علاوه بر این ، تعدیل کننده های جذب الکتریکی SIGE بر اساس حرکت لبه باند SIGE (سیلیکون آلیاژ ژرمانیوم) وجود دارد. علاوه بر این ، تعدیل کننده های گرافن وجود دارند که به گرافن متکی هستند تا بین فلزات جذب کننده و عایق های شفاف جابجا شوند. اینها تنوع کاربردهای مکانیسم های مختلف را برای دستیابی به مدولاسیون سیگنال نوری با سرعت بالا و کم از دست داده نشان می دهد.

شکل 10: (الف) نمودار مقطعی از طرح های مختلف تعدیل کننده نوری مبتنی بر سیلیکون و (ب) نمودار مقطعی از طرح های آشکارساز نوری.

چندین آشکارساز نور مبتنی بر سیلیکون در شکل 10b نشان داده شده است. ماده جذب کننده ژرمنیوم (GE) است. GE قادر به جذب نور در طول موج به حدود 1.6 میکرون است. نشان داده شده در سمت چپ امروزه موفق ترین ساختار پین تجاری است. از سیلیکون دوپ شده از نوع P که GE رشد می کند تشکیل شده است. GE و Si دارای 4 ٪ عدم تطابق شبکه هستند و به منظور به حداقل رساندن جابجایی ، یک لایه نازک از SIGE برای اولین بار به عنوان یک لایه بافر رشد می کند. دوپینگ نوع N در بالای لایه GE انجام می شود. یک فوتودیود فلزی هادی فلزی (MSM) در وسط نشان داده شده است و یک APD (نوری بهمن) در سمت راست نشان داده شده است. منطقه بهمن در APD در SI واقع شده است که در مقایسه با منطقه بهمن در مواد ابتدایی گروه III-V دارای ویژگی های سر و صدای کمتری است.

در حال حاضر ، هیچ راه حل با مزایای آشکار در ادغام سود نوری با فوتونیک سیلیکون وجود ندارد. شکل 11 چندین گزینه ممکن را نشان می دهد که توسط سطح مونتاژ سازماندهی شده اند. در سمت چپ ادغام های یکپارچه وجود دارد که شامل استفاده از ژرمانیوم رشد یافته اپیتاکس (GE) به عنوان یک ماده افزایش نوری ، موج های شیشه ای Erbium-doped (ER) (مانند AL2O3 ، که به پمپاژ نوری نیاز دارد) و آرسنید گالیم گالیم (GAAS) به رشد و نمو می پردازند. ستون بعدی ویفر به مونتاژ ویفر است که شامل اکسید و پیوند آلی در منطقه افزایش گروه III-V است. ستون بعدی مونتاژ تراشه به وافر است که شامل تعبیه تراشه گروه III-V در حفره ویفر سیلیکون و سپس ماشینکاری ساختار موجبر است. مزیت این رویکرد سه ستون اول این است که دستگاه می تواند قبل از برش کاملاً کاربردی در داخل ویفر انجام شود. ستون سمت راست مونتاژ تراشه به تراشه است ، از جمله اتصال مستقیم تراشه های سیلیکون به تراشه های گروه III-V و همچنین اتصال از طریق لنز و جفت کننده های توری. روند به سمت برنامه های تجاری از سمت راست به سمت چپ نمودار به سمت راه حل های یکپارچه تر و یکپارچه تر حرکت می کند.

شکل 11: چگونه سود نوری در فوتونیک های مبتنی بر سیلیکون ادغام می شود. همانطور که از چپ به راست حرکت می کنید ، نقطه درج تولید به تدریج در این فرآیند حرکت می کند.