Elemento activo de fotónica de silicio
Los componentes activos fotónicos se refieren específicamente a interacciones dinámicas diseñadas intencionalmente entre la luz y la materia. Un componente activo típico de la fotónica es un modulador óptico. Todos los componentes actuales basados en silicio...moduladores ópticosSe basan en el efecto de portador libre del plasma. Modificar el número de electrones y huecos libres en un material de silicio mediante dopaje, métodos eléctricos u ópticos puede modificar su índice de refracción complejo. Este proceso se muestra en las ecuaciones (1, 2) obtenidas mediante el ajuste de datos de Soref y Bennett a una longitud de onda de 1550 nanómetros. En comparación con los electrones, los huecos causan una mayor proporción de los cambios reales e imaginarios del índice de refracción; es decir, pueden producir un cambio de fase mayor para un cambio de pérdida dado.Moduladores de Mach-Zehndery moduladores de anillo, generalmente se prefiere utilizar agujeros para hacermoduladores de fase.
Los diversosmodulador de silicio (Si)Los tipos se muestran en la Figura 10A. En un modulador de inyección de portadoras, la luz se encuentra en el silicio intrínseco dentro de una unión pin muy ancha, y se inyectan electrones y huecos. Sin embargo, estos moduladores son más lentos, típicamente con un ancho de banda de 500 MHz, porque los electrones y huecos libres tardan más en recombinarse después de la inyección. Por lo tanto, esta estructura se utiliza a menudo como atenuador óptico variable (VOA) en lugar de como modulador. En un modulador de agotamiento de portadoras, la porción de luz se encuentra en una unión pn estrecha, y el ancho de agotamiento de la unión pn se modifica mediante un campo eléctrico aplicado. Este modulador puede operar a velocidades superiores a 50 Gb/s, pero presenta una alta pérdida de inserción de fondo. La vpil típica es de 2 V-cm. Un modulador de semiconductor de óxido metálico (MOS) (en realidad, semiconductor-óxido-semiconductor) contiene una fina capa de óxido en una unión pn. Permite cierta acumulación y depleción de portadores, lo que permite una VπL menor, de aproximadamente 0,2 V-cm, pero presenta la desventaja de mayores pérdidas ópticas y mayor capacitancia por unidad de longitud. Además, existen moduladores de absorción eléctrica de SiGe basados en el movimiento del borde de banda de SiGe (aleación de silicio-germanio). Asimismo, existen moduladores de grafeno que utilizan grafeno para alternar entre metales absorbentes y aislantes transparentes. Estos demuestran la diversidad de aplicaciones de diferentes mecanismos para lograr una modulación de señales ópticas de alta velocidad y baja pérdida.
Figura 10: (A) Diagrama transversal de varios diseños de moduladores ópticos basados en silicio y (B) diagrama transversal de diseños de detectores ópticos.
En la Figura 10B se muestran varios detectores de luz basados en silicio. El material absorbente es germanio (Ge). El Ge es capaz de absorber luz en longitudes de onda de hasta aproximadamente 1,6 micras. A la izquierda se muestra la estructura de pin de mayor éxito comercial en la actualidad. Está compuesta de silicio dopado tipo P sobre el que crece el Ge. El Ge y el Si tienen un desajuste reticular del 4%, y para minimizar la dislocación, primero se cultiva una fina capa de SiGe como capa amortiguadora. El dopaje tipo N se realiza sobre la capa de Ge. En el centro se muestra un fotodiodo metal-semiconductor-metal (MSM) y un APD (Fotodetector de avalanchas) se muestra a la derecha. La región de avalancha en APD se encuentra en Si, que presenta características de ruido más bajas en comparación con la región de avalancha en materiales elementales de los Grupos III-V.
Actualmente, no existen soluciones con ventajas obvias para integrar la ganancia óptica con la fotónica de silicio. La Figura 11 muestra varias opciones posibles organizadas por nivel de ensamblaje. En el extremo izquierdo se encuentran las integraciones monolíticas que incluyen el uso de germanio (Ge) de crecimiento epitaxial como material de ganancia óptica, guías de onda de vidrio dopado con erbio (Er) (como Al₂O₃, que requiere bombeo óptico) y puntos cuánticos de arseniuro de galio (GaAs) de crecimiento epitaxial. La siguiente columna es el ensamblaje de oblea a oblea, que implica óxido y enlaces orgánicos en la región de ganancia del grupo III-V. La siguiente columna es el ensamblaje de chip a oblea, que implica incrustar el chip del grupo III-V en la cavidad de la oblea de silicio y luego mecanizar la estructura de la guía de onda. La ventaja de este primer enfoque de tres columnas es que el dispositivo puede probarse completamente funcionalmente dentro de la oblea antes del corte. La columna de la derecha representa el ensamblaje de chip a chip, que incluye el acoplamiento directo de chips de silicio a chips de los grupos III-V, así como el acoplamiento mediante acopladores de lentes y rejillas. La tendencia hacia las aplicaciones comerciales se desplaza de la derecha a la izquierda del gráfico hacia soluciones más integradas.
Figura 11: Cómo se integra la ganancia óptica en la fotónica basada en silicio. A medida que se desplaza de izquierda a derecha, el punto de inserción de fabricación retrocede gradualmente en el proceso.
Hora de publicación: 22 de julio de 2024