عنصر فعال فوتونیک سیلیکونی

عنصر فعال فوتونیک سیلیکونی

اجزای فعال فوتونیک به طور خاص به تعاملات پویای طراحی‌شده‌ی عمدی بین نور و ماده اشاره دارند. یک جزء فعال معمول فوتونیک، یک مدولاتور نوری است. تمام اجزای فعلی مبتنی بر سیلیکونمدولاتورهای نوریبر اساس اثر حامل آزاد پلاسما هستند. تغییر تعداد الکترون‌ها و حفره‌های آزاد در یک ماده سیلیکونی با استفاده از روش‌های آلایش، الکتریکی یا نوری می‌تواند ضریب شکست مختلط آن را تغییر دهد، فرآیندی که در معادلات (1،2) نشان داده شده است که با برازش داده‌های Soref و Bennett در طول موج 1550 نانومتر به دست آمده است. در مقایسه با الکترون‌ها، حفره‌ها باعث نسبت بیشتری از تغییرات ضریب شکست واقعی و موهومی می‌شوند، یعنی می‌توانند تغییر فاز بزرگتری را برای یک تغییر اتلاف معین ایجاد کنند، بنابراین درمدولاتورهای ماخ-زندرو مدولاتورهای حلقه‌ای، معمولاً ترجیح داده می‌شود از سوراخ‌ها برای ساخت استفاده شودمدولاتورهای فاز.

مختلفمدولاتور سیلیکونی (Si)انواع مختلف در شکل 10A نشان داده شده است. در یک مدولاتور تزریق حامل، نور در سیلیکون ذاتی در یک اتصال پین بسیار پهن قرار دارد و الکترون‌ها و حفره‌ها تزریق می‌شوند. با این حال، چنین مدولاتورهایی کندتر هستند، معمولاً با پهنای باند 500 مگاهرتز، زیرا الکترون‌های آزاد و حفره‌ها پس از تزریق برای ترکیب مجدد به زمان بیشتری نیاز دارند. بنابراین، این ساختار اغلب به عنوان یک تضعیف‌کننده نوری متغیر (VOA) به جای یک مدولاتور استفاده می‌شود. در یک مدولاتور تخلیه حامل، بخش نور در یک اتصال pn باریک قرار دارد و پهنای تخلیه اتصال pn توسط یک میدان الکتریکی اعمال شده تغییر می‌کند. این مدولاتور می‌تواند با سرعت‌های بیش از 50 گیگابیت بر ثانیه کار کند، اما تلفات درج پس‌زمینه بالایی دارد. vpil معمولی 2 ولت بر سانتی‌متر است. یک مدولاتور نیمه‌هادی اکسید فلزی (MOS) (در واقع نیمه‌هادی-اکسید-نیمه‌هادی) حاوی یک لایه اکسید نازک در یک اتصال pn است. این روش امکان تجمع حامل و همچنین تخلیه حامل را فراهم می‌کند و VπL کوچکتری در حدود 0.2 ولت بر سانتی‌متر را فراهم می‌کند، اما عیب آن تلفات نوری بالاتر و ظرفیت خازنی بالاتر در واحد طول است. علاوه بر این، مدولاتورهای جذب الکتریکی SiGe بر اساس حرکت لبه باند SiGe (آلیاژ سیلیکون ژرمانیوم) وجود دارند. علاوه بر این، مدولاتورهای گرافنی وجود دارند که برای تغییر بین فلزات جاذب و عایق‌های شفاف به گرافن متکی هستند. اینها تنوع کاربردهای مکانیسم‌های مختلف را برای دستیابی به مدولاسیون سیگنال نوری با سرعت بالا و تلفات کم نشان می‌دهند.

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

چندین آشکارساز نور مبتنی بر سیلیکون در شکل 10B نشان داده شده است. ماده جاذب ژرمانیوم (Ge) است. Ge قادر به جذب نور در طول موج‌های تا حدود 1.6 میکرون است. در سمت چپ، موفق‌ترین ساختار پین از نظر تجاری امروزی نشان داده شده است. این ساختار از سیلیکون آلاییده شده از نوع P تشکیل شده است که Ge روی آن رشد می‌کند. Ge و Si دارای عدم تطابق شبکه‌ای 4٪ هستند و برای به حداقل رساندن نابجایی، ابتدا یک لایه نازک از SiGe به عنوان یک لایه بافر رشد داده می‌شود. آلاییده شدن نوع N در بالای لایه Ge انجام می‌شود. یک فوتودیود فلز-نیمه‌هادی-فلز (MSM) در وسط نشان داده شده است و یک APD (آشکارساز نوری بهمن) در سمت راست نشان داده شده است. ناحیه بهمنی در APD در Si قرار دارد که در مقایسه با ناحیه بهمنی در مواد عنصری گروه III-V، ویژگی‌های نویز کمتری دارد.

در حال حاضر، هیچ راه‌حلی با مزایای آشکار در ادغام بهره نوری با فوتونیک سیلیکونی وجود ندارد. شکل 11 چندین گزینه ممکن را نشان می‌دهد که بر اساس سطح مونتاژ سازماندهی شده‌اند. در سمت چپ، ادغام‌های یکپارچه قرار دارند که شامل استفاده از ژرمانیوم (Ge) رشد یافته به صورت اپیتاکسی به عنوان ماده بهره نوری، موجبرهای شیشه‌ای آلاییده شده با اربیوم (Er) (مانند Al2O3 که نیاز به پمپاژ نوری دارد) و نقاط کوانتومی گالیوم آرسنید (GaAs) رشد یافته به صورت اپیتاکسی است. ستون بعدی، مونتاژ ویفر به ویفر است که شامل پیوند اکسیدی و آلی در ناحیه بهره گروه III-V است. ستون بعدی، مونتاژ تراشه به ویفر است که شامل جاسازی تراشه گروه III-V در حفره ویفر سیلیکونی و سپس ماشینکاری ساختار موجبر است. مزیت این رویکرد سه ستونی اول این است که می‌توان دستگاه را قبل از برش، به طور کامل در داخل ویفر آزمایش کرد. ستون سمت راست، مونتاژ تراشه به تراشه است که شامل اتصال مستقیم تراشه‌های سیلیکونی به تراشه‌های گروه III-V و همچنین اتصال از طریق کوپلینگ‌های لنز و توری است. روند به سمت کاربردهای تجاری از سمت راست نمودار به سمت چپ آن به سمت راهکارهای یکپارچه‌تر و منسجم‌تر در حال حرکت است.

شکل 11: نحوه ادغام بهره نوری در فوتونیک مبتنی بر سیلیکون. همانطور که از چپ به راست حرکت می‌کنید، نقطه درج ساخت به تدریج در فرآیند به عقب حرکت می‌کند.