Elemento activo de Silicon Photonics
Los componentes activos de Photonics 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 actuales basados en siliciomoduladores ópticosse basan en el efecto portador libre de plasma. Cambiar el número de electrones y agujeros libres en un material de silicio mediante el dopaje, los métodos eléctricos u ópticos puede cambiar su índice de refracción complejo, un proceso que se muestra en las ecuaciones (1,2) obtenidas ajustando datos de SOREF y Bennett a una longitud de onda de 1550 nanómetros. En comparación con los electrones, los agujeros causan una mayor proporción de los cambios de índice de refracción real e imaginario, es decir, pueden producir un cambio de fase mayor para un cambio de pérdida dado, por lo que enModuladores de Mach-Zehndery moduladores de anillo, generalmente se prefiere usar agujeros para hacermoduladores de fase.
Los diversosmodulador de silicio (SI)Los tipos se muestran en la Figura 10a. En un modulador de inyección de portador, la luz se encuentra en silicio intrínseco dentro de una unión de alfiler muy ancha, y se inyectan electrones y agujeros. Sin embargo, tales moduladores son más lentos, típicamente con un ancho de banda de 500 MHz, porque los electrones y agujeros libres tardan más en recombinar después de la inyección. Por lo tanto, esta estructura a menudo se usa como un atenuador óptico variable (VOA) en lugar de un modulador. En un modulador de agotamiento de portador, la porción de luz se encuentra en una unión PN estrecha, y el ancho de agotamiento de la unión PN se cambia mediante un campo eléctrico aplicado. Este modulador puede funcionar a velocidades superiores a 50 GB/s, pero tiene una alta pérdida de inserción de fondo. El VPIL típico es de 2 V-CM. Un modulador de semiconductor de óxido de metal (MOS) (en realidad semiconductor-óxido-semiconductor) contiene una capa delgada de óxido en una unión PN. Permite una acumulación de portadores, así como el agotamiento del portador, lo que permite un VπL más pequeño de aproximadamente 0.2 V-CM, pero tiene la desventaja de pérdidas ópticas más altas y una mayor capacitancia por unidad de longitud. Además, hay moduladores de absorción eléctrica SIGE basados en el movimiento del borde de la banda SIGE (aleación de germanio de silicio). Además, hay moduladores de grafeno que dependen del grafeno para cambiar entre metales absorbentes y aisladores transparentes. Estos demuestran la diversidad de aplicaciones de diferentes mecanismos para lograr una modulación de señal óptica de baja velocidad y baja pérdida.
Figura 10: (a) Diagrama de sección transversal de varios diseños de moduladores ópticos basados en silicio y (b) diagrama de sección transversal de diseños de detectores ópticos.
Varios detectores de luz a base de silicio se muestran en la Figura 10b. El material absorbente es germanio (GE). GE puede absorber la luz a longitudes de onda hasta aproximadamente 1.6 micras. Se muestra a la izquierda se muestra la estructura de pin más comercialmente exitosa actual. Se compone de silicio dopado de tipo P en el que crece GE. GE y SI tienen un desajuste de celosía al 4%, y para minimizar la dislocación, una capa delgada de SIGE se cultiva primero como una capa de tampón. El dopaje de tipo N se realiza en la parte superior de la capa GE. Un fotodiodo de metal-semiconductor-metal (MSM) se muestra en el medio y un APD (fotodetector de avalancha) se muestra a la derecha. La región de avalancha en APD se encuentra en SI, que tiene características de ruido más bajas en comparación con la región de avalancha en materiales elementales del Grupo III-V.
En la actualidad, no hay soluciones con ventajas obvias en la integración de la ganancia óptica con la fotónica de silicio. La Figura 11 muestra varias opciones posibles organizadas por nivel de ensamblaje. En el extremo izquierdo hay integraciones monolíticas que incluyen el uso de germanio cultivado epitaxialmente (GE) como material de ganancia óptica, guías de onda de vidrio dopadas con erbio (ER) (como Al2O3, que requiere bombeo óptico) y puntos cuánticos de arsenuro de galio (GaAs) de cultivo epitaxialmente cultivado (GaAs). La siguiente columna es la oblea para el ensamblaje de obleas, que involucra óxido y unión orgánica en la región de ganancia del grupo III-V. La siguiente columna es el ensamblaje de Chip-to Wafer, 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 de cortar. La columna más derecha es el ensamblaje de chip a chip, incluido el acoplamiento directo de chips de silicio a chips de grupo III-V, así como acoplamiento a través de lentes y acopladores de rejilla. La tendencia hacia aplicaciones comerciales se está moviendo del lado derecho al lado izquierdo de la tabla hacia soluciones más integradas e integradas.
Figura 11: Cómo la ganancia óptica se integra en la fotónica basada en silicio. A medida que avanza de izquierda a derecha, el punto de inserción de fabricación se mueve gradualmente en el proceso.
Tiempo de publicación: Jul-22-2024