عنصر فعال فوتونیک سیلیکون

عنصر فعال فوتونیک سیلیکون

اجزای فعال فوتونیک به طور خاص به برهمکنش های دینامیکی عمدی طراحی شده بین نور و ماده اشاره دارد. یک جزء فعال معمولی فوتونیک یک مدولاتور نوری است. همه مبتنی بر سیلیکون فعلیتعدیل کننده های نوریبر اساس اثر حامل بدون پلاسما هستند. تغییر تعداد الکترون‌های آزاد و حفره‌های یک ماده سیلیکونی با روش‌های دوپینگ، الکتریکی یا نوری می‌تواند ضریب شکست پیچیده آن را تغییر دهد، فرآیندی که در معادلات (1،2) نشان داده شده است که با برازش داده‌های سورف و بنت در طول موج 1550 نانومتر به دست آمده است. . در مقایسه با الکترون‌ها، حفره‌ها نسبت بیشتری از تغییرات ضریب شکست واقعی و خیالی را ایجاد می‌کنند، یعنی می‌توانند تغییر فاز بزرگ‌تری را برای تغییر تلفات معین ایجاد کنند، بنابراین درتعدیل کننده های Mach-Zehnderو مدولاتورهای حلقه، معمولاً ترجیح داده می شود از سوراخ هایی برای ایجاد استفاده شودمدولاتورهای فاز.

مختلفمدولاتور سیلیکون (Si).انواع در شکل 10A نشان داده شده است. در یک مدولاتور تزریق حامل، نور در سیلیکون ذاتی در یک اتصال پین بسیار گسترده قرار دارد و الکترون ها و حفره ها تزریق می شوند. با این حال، چنین تعدیل‌کننده‌هایی کندتر هستند، معمولاً با پهنای باند 500 مگاهرتز، زیرا الکترون‌های آزاد و حفره‌ها پس از تزریق به زمان بیشتری برای ترکیب مجدد نیاز دارند. بنابراین، این ساختار اغلب به عنوان یک تضعیف کننده نوری متغیر (VOA) به جای یک مدولاتور استفاده می شود. در یک مدولاتور تخلیه حامل، بخش نور در یک اتصال pn باریک قرار دارد و عرض تخلیه اتصال pn توسط یک میدان الکتریکی اعمال شده تغییر می‌کند. این مدولاتور می تواند با سرعت بیش از 50 گیگابیت بر ثانیه کار کند، اما از دست دادن درج پس زمینه بالایی دارد. vpil معمولی 2 V-cm است. یک مدولاتور نیمه هادی اکسید فلزی (MOS) (در واقع نیمه هادی-اکسید-نیمه هادی) حاوی یک لایه نازک اکسید در یک اتصال pn است. این اجازه می دهد تا مقداری از حامل و همچنین تخلیه حامل، اجازه می دهد تا یک VπL کوچکتر در حدود 0.2 V-cm، اما دارای نقطه ضعف تلفات نوری بیشتر و ظرفیت خازنی بالاتر در واحد طول است. علاوه بر این، تعدیل کننده های جذب الکتریکی SiGe بر اساس حرکت لبه نوار SiGe (آلیاژ ژرمانیوم سیلیکون) وجود دارد. علاوه بر این، تعدیل کننده های گرافن وجود دارند که برای جابجایی بین فلزات جذب کننده و عایق های شفاف به گرافن متکی هستند. اینها تنوع کاربرد مکانیسم های مختلف برای دستیابی به مدولاسیون سیگنال نوری با سرعت بالا و کم تلفات را نشان می دهند.

شکل 10: (الف) نمودار مقطعی طرح‌های مختلف مدولاتور نوری مبتنی بر سیلیکون و (ب) نمودار مقطعی طرح‌های آشکارساز نوری.

چندین آشکارساز نور مبتنی بر سیلیکون در شکل 10B نشان داده شده است. ماده جذب کننده ژرمانیوم (Ge) است. جنرال الکتریک قادر به جذب نور در طول موج های کمتر از 1.6 میکرون است. در سمت چپ موفق ترین ساختار پین امروزی از نظر تجاری است. از سیلیکون دوپینگ نوع P تشکیل شده است که جنرال الکتریک روی آن رشد می کند. Ge و Si دارای 4 درصد عدم تطابق شبکه هستند و به منظور به حداقل رساندن نابجایی، ابتدا یک لایه نازک از SiGe به عنوان یک لایه بافر رشد می کند. دوپینگ نوع N در بالای لایه Ge انجام می شود. یک فتودیود فلزی نیمه هادی فلزی (MSM) در وسط و یک APD (ردیاب عکس 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 عنصری گروه III-V دارای ویژگی های نویز کمتری است.

در حال حاضر، هیچ راه حلی با مزایای آشکار در ادغام بهره نوری با فوتونیک سیلیکون وجود ندارد. شکل 11 چندین گزینه ممکن را نشان می دهد که بر اساس سطح مونتاژ سازماندهی شده اند. در سمت چپ ادغام های یکپارچه وجود دارد که شامل استفاده از ژرمانیوم رشد یافته به صورت همبستگی (Ge) به عنوان ماده افزایش نوری، موجبرهای شیشه ای دوپ شده با اربیوم (Er) (مانند Al2O3، که به پمپاژ نوری نیاز دارد) و آرسنید گالیم رشد همپایه (GaAs) می باشد. ) نقاط کوانتومی ستون بعدی مونتاژ ویفر به ویفر است که شامل اکسید و پیوند آلی در ناحیه بهره گروه III-V است. ستون بعدی مونتاژ تراشه به ویفر است که شامل تعبیه تراشه گروه III-V در حفره ویفر سیلیکونی و سپس ماشینکاری ساختار موجبر است. مزیت این روش سه ستونی اول این است که دستگاه می تواند به طور کامل در داخل ویفر قبل از برش آزمایش شود. سمت راست ترین ستون، مونتاژ تراشه به تراشه است، از جمله اتصال مستقیم تراشه های سیلیکونی به تراشه های گروه III-V، و همچنین اتصال از طریق لنز و جفت گریتینگ. گرایش 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: نحوه ادغام بهره نوری در فوتونیک مبتنی بر سیلیکون. همانطور که از چپ به راست حرکت می کنید، نقطه درج تولید به تدریج در فرآیند به عقب برمی گردد.