Elemento activo de fotónica de silicio.

Elemento activo de fotónica de silicio.

Los componentes activos de la fotónica 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 silicio.moduladores ópticosse basan en el efecto de portador libre de plasma. Cambiar el número de electrones libres y huecos en un material de silicio mediante métodos de dopaje, eléctricos u ópticos puede cambiar su complejo índice de refracción, 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 huecos causan una mayor proporción de los cambios de índice de refracción reales e imaginarios, es decir, pueden producir un cambio de fase mayor para un cambio de pérdida dado, por lo que enModuladores Mach-Zehndery moduladores en 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 ubica en silicio intrínseco dentro de una unión de pines muy amplia y se inyectan electrones y huecos. Sin embargo, estos moduladores son más lentos, normalmente con un ancho de banda de 500 MHz, porque los electrones libres y los huecos 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 modulador. En un modulador de agotamiento de portadora, la porción luminosa está ubicada en una unión pn estrecha, y el ancho de agotamiento de la unión pn 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 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 portadoras, lo que permite un VπL más pequeño de aproximadamente 0,2 V-cm, pero tiene 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 la banda de SiGe (aleación de silicio y germanio). Además, existen moduladores de grafeno que se basan en el grafeno para cambiar entre metales absorbentes y aislantes transparentes. Estos demuestran la diversidad de aplicaciones de diferentes mecanismos para lograr una modulación de señal óptica de alta 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.

En la Figura 10B se muestran varios detectores de luz basados ​​en silicio. El material absorbente es germanio (Ge). Ge es capaz de absorber luz en longitudes de onda de hasta aproximadamente 1,6 micrones. A la izquierda se muestra la estructura de pines de mayor éxito comercial en la actualidad. Está compuesto de silicio dopado tipo P sobre el que crece Ge. Ge y Si tienen un desajuste de red del 4% y, para minimizar la dislocación, primero se cultiva una capa delgada de SiGe como capa amortiguadora. El dopaje tipo N se realiza en la parte superior de la capa de Ge. En el medio 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 está ubicada 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 existen soluciones con ventajas obvias al integrar la ganancia óptica con la fotónica de silicio. La Figura 11 muestra varias opciones posibles organizadas por nivel de montaje. En el extremo izquierdo hay integraciones monolíticas que incluyen el uso de germanio (Ge) cultivado epitaxialmente como material de ganancia óptica, guías de ondas de vidrio dopadas con erbio (Er) (como Al2O3, que requiere bombeo óptico) y arseniuro de galio cultivado epitaxialmente (GaAs). ) puntos cuánticos. La siguiente columna es el ensamblaje de oblea a oblea, que involucra enlaces orgánicos y de óxido 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 ondas. La ventaja de este primer enfoque de tres columnas es que se puede probar el funcionamiento completo del dispositivo dentro de la oblea antes de cortarlo. La columna de la derecha es el ensamblaje de chip a chip, incluido el acoplamiento directo de chips de silicio a chips del grupo III-V, así como el acoplamiento mediante lentes y acopladores de rejilla. La tendencia hacia las aplicaciones comerciales se mueve del lado derecho al izquierdo del gráfico hacia soluciones más integradas e integradas.

Figura 11: Cómo se integra la ganancia óptica en la fotónica basada en silicio. A medida que se mueve de izquierda a derecha, el punto de inserción de fabricación retrocede gradualmente en el proceso.