elemento activo de fotónica de silicio
Los componentes activos de fotónica se refieren específicamente a las interacciones dinámicas diseñadas intencionalmente entre la luz y la materia. Un componente activo típico de fotónica es un modulador óptico. Todos los moduladores ópticos actuales se basan en silicio.moduladores ópticosse basan en el efecto de portadores libres del plasma. Al modificar el número de electrones y huecos libres en un material de silicio mediante dopaje, métodos eléctricos u ópticos, se puede cambiar su índice de refracción complejo, un proceso que 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 provocan una mayor proporción de los cambios en el índice de refracción real e imaginario; es decir, pueden producir un mayor cambio de fase para un cambio de pérdida dado.moduladores 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 portadores, la luz se localiza en silicio intrínseco dentro de una unión pn muy ancha, y se inyectan electrones y huecos. Sin embargo, estos moduladores son más lentos, con un ancho de banda típico de 500 MHz, debido a que los electrones y huecos libres tardan más en recombinarse tras la inyección. Por lo tanto, esta estructura se utiliza a menudo como un atenuador óptico variable (VOA) en lugar de un modulador. En un modulador de agotamiento de portadores, la porción de luz se localiza en una unión pn estrecha, y el ancho de la región 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 VPI 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 agotamiento de portadores, lo que resulta en un 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 del SiGe (aleación de silicio-germanio). Asimismo, existen moduladores de grafeno que utilizan este material para alternar entre metales absorbentes y aislantes transparentes. Esto demuestra la diversidad de aplicaciones de los diferentes mecanismos para lograr una modulación de señal óptica de alta velocidad y bajas pérdidas.
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.
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 con longitudes de onda de hasta aproximadamente 1,6 micras. A la izquierda se muestra la estructura pin de mayor éxito comercial en la actualidad. Está compuesta de silicio dopado de tipo P sobre el que crece Ge. El Ge y el Si presentan un desajuste de red del 4%, y para minimizar la dislocación, primero se deposita una fina capa de SiGe como capa amortiguadora. Se realiza un dopaje de tipo N sobre la capa de Ge. En el centro se muestra un fotodiodo metal-semiconductor-metal (MSM) y un APD (Fotodetector de avalancha) se muestra a la derecha. La región de avalancha en el APD se encuentra en Si, que presenta características de ruido inferiores en comparación con la región de avalancha en los materiales elementales del Grupo III-V.
Actualmente, no existen soluciones con ventajas evidentes para la integración de ganancia óptica con 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) crecido epitaxialmente 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) crecidos epitaxialmente. La siguiente columna corresponde al ensamblaje oblea a oblea, que implica la unión de óxidos y compuestos orgánicos en la región de ganancia del grupo III-V. La siguiente columna es el ensamblaje chip a oblea, que consiste en incrustar el chip del grupo III-V en la cavidad de la oblea de silicio y, posteriormente, mecanizar la estructura de la guía de onda. La ventaja de este enfoque de las tres primeras columnas es que el dispositivo puede probarse completamente funcionalmente dentro de la oblea antes de su corte. La columna de la derecha corresponde al ensamblaje chip a chip, incluyendo el acoplamiento directo de chips de silicio a chips del grupo III-V, así como el acoplamiento mediante acopladores de lente y rejilla. La tendencia hacia las aplicaciones comerciales se desplaza desde la derecha hacia la izquierda del gráfico, en dirección a soluciones más integradas.
Figura 11: Cómo se integra la ganancia óptica en la fotónica basada en silicio. A medida que se avanza de izquierda a derecha, el punto de inserción en la fabricación se desplaza gradualmente hacia atrás en el proceso.
Fecha de publicación: 22 de julio de 2024