Elementu attivu di fotonica di siliciu

Elementu attivu di fotonica di siliciu

I cumpunenti attivi di a fotonica si riferiscenu specificamente à l'interazioni dinamiche intenzionalmente cuncipite trà a luce è a materia. Un cumpunente attivu tipicu di a fotonica hè un modulatore otticu. Tutti i cumpunenti attuali basati nantu à u siliciumodulatori otticisò basati nantu à l'effettu di u purtatore liberu di u plasma. Cambià u numeru di elettroni liberi è di lacune in un materiale di siliciu per via di doping, metudi elettrichi o ottichi pò cambià u so indice di rifrazione cumplessu, un prucessu mostratu in l'equazioni (1,2) ottenute adattendu dati da Soref è Bennett à una lunghezza d'onda di 1550 nanometri. In paragone cù l'elettroni, i lacune causanu una proporzione più grande di i cambiamenti di l'indice di rifrazione reale è imaginariu, vale à dì, ponu pruduce un cambiamentu di fase più grande per un cambiamentu di perdita datu, dunque inModulatori di Mach-Zehnderè modulatori d'anellu, hè generalmente preferitu aduprà buchi per fàmodulatori di fase.

I varimodulatore di siliciu (Si)I tipi sò mostrati in a Figura 10A. In un modulatore d'iniezione di portante, a luce si trova in u siliciu intrinsecu in una giunzione pin assai larga, è l'elettroni è i buchi sò iniettati. Tuttavia, tali modulatori sò più lenti, tipicamente cù una larghezza di banda di 500 MHz, perchè l'elettroni liberi è i buchi ci mettenu più tempu à ricombinassi dopu l'iniezione. Dunque, sta struttura hè spessu aduprata cum'è attenuatore otticu variabile (VOA) piuttostu chè cum'è modulatore. In un modulatore di deplezione di portante, a parte di luce si trova in una giunzione pn stretta, è a larghezza di deplezione di a giunzione pn hè cambiata da un campu elettricu applicatu. Stu modulatore pò funziunà à velocità superiori à 50 Gb/s, ma hà una perdita d'inserzione di fondu elevata. U vpil tipicu hè 2 V-cm. Un modulatore di semiconduttore à ossidu metallicu (MOS) (in realtà semiconduttore-ossidu-semiconduttore) cuntene un stratu sottile d'ossidu in una giunzione pn. Permette una certa accumulazione di purtatori è ancu un deplezione di purtatori, chì permette una VπL più chjuca di circa 0,2 V-cm, ma hà u svantaghju di perdite ottiche più elevate è di capacità più elevata per unità di lunghezza. Inoltre, ci sò modulatori di assorbimentu elettricu SiGe basati nantu à u muvimentu di u bordu di banda SiGe (lega di siliciu è germaniu). Inoltre, ci sò modulatori di grafene chì si basanu nantu à u grafene per cambià trà metalli assorbenti è isolanti trasparenti. Quessi dimustranu a diversità di applicazioni di diversi meccanismi per ottene una modulazione di u signale otticu à alta velocità è bassa perdita.

Figura 10: (A) Diagramma trasversale di diversi disinni di modulatori ottici à basa di siliciu è (B) diagramma trasversale di disinni di rilevatori ottici.

Parechji rilevatori di luce à basa di siliciu sò mostrati in a Figura 10B. U materiale assorbente hè u germaniu (Ge). U Ge hè capace di assorbe a luce à lunghezze d'onda finu à circa 1,6 micron. Mostrata à manca hè a struttura di pin di più successu cummerciale oghje. Hè cumposta di siliciu drogatu di tipu P nantu à u quale cresce u Ge. U Ge è u Si anu una disadattamentu di reticolo di 4%, è per minimizà a dislocazione, un stratu finu di SiGe hè prima cresciutu cum'è stratu tampone. U drogaggio di tipu N hè realizatu nantu à a cima di u stratu di Ge. Un fotodiodu metallu-semiconduttore-metallu (MSM) hè mostratu in u centru, è un APD (Fotodetector di valanga) hè mostrata à diritta. A regione di valanga in APD si trova in Si, chì hà caratteristiche di rumore più basse paragunate à a regione di valanga in i materiali elementali di u Gruppu III-V.

Attualmente, ùn ci sò micca suluzioni cù vantaghji evidenti in l'integrazione di u guadagnu otticu cù a fotonica di siliciu. A Figura 11 mostra parechje opzioni pussibuli urganizate per livellu di assemblaggio. À l'estrema sinistra ci sò integrazioni monolitiche chì includenu l'usu di germaniu (Ge) cresciutu epitassialmente cum'è materiale di guadagnu otticu, guide d'onda di vetru drogate cù erbio (Er) (cum'è Al2O3, chì richiede u pompaggio otticu), è punti quantichi di arseniuru di galliu (GaAs) cresciuti epitassialmente. A colonna dopu hè l'assemblaggio wafer à wafer, chì implica l'ossidu è u ligame organicu in a regione di guadagnu di u gruppu III-V. A colonna dopu hè l'assemblaggio chip-wafer, chì implica l'incorporazione di u chip di u gruppu III-V in a cavità di u wafer di siliciu è poi a machinazione di a struttura di a guida d'onda. U vantaghju di questu primu approcciu à trè colonne hè chì u dispusitivu pò esse cumpletamente testatu funzionale in u wafer prima di taglià. A colonna più à diritta hè l'assemblaggio chip-chip, cumpresu l'accoppiamentu direttu di chip di siliciu à chip di u gruppu III-V, è ancu l'accoppiamentu via accoppiatori di lenti è reticoli. A tendenza versu l'applicazioni cummerciali si move da a diritta à a manca di u graficu versu suluzioni più integrate è integrate.

Figura 11: Cumu u guadagnu otticu hè integratu in a fotonica basata nantu à u siliciu. Mentre vi movete da manca à diritta, u puntu d'inserzione di fabricazione si move gradualmente in daretu in u prucessu.