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 dispositivos actuales basados en siliciomoduladores ópticosse basan en el efecto de portadores libres de plasma. Cambiar el número de electrones y huecos libres en un material de silicio mediante dopaje, 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 huecos causan una mayor proporción de los cambios en el 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 Mach-Zehndery moduladores de anillo, por lo general 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 encuentra en silicio intrínseco dentro de una unión pn 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 usa 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 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 operar 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 óxido metálico semiconductor (MOS) (en realidad semiconductor-óxido-semiconductor) contiene una capa delgada 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 de 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 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 en 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 tienen un desajuste de red del 4%, y para minimizar la dislocación, primero se cultiva una fina capa de SiGe como capa tampón. El dopaje de tipo N se realiza en la parte superior de 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 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.
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) cultivado 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) cultivados epitaxialmente. La siguiente columna corresponde al ensamblaje de oblea a oblea, que implica la unión de óxido y compuestos orgánicos en la región de ganancia del grupo III-V. La siguiente columna corresponde al ensamblaje de chip a oblea, que implica la incrustación del chip del grupo III-V en la cavidad de la oblea de silicio y el posterior mecanizado de la estructura de la guía de onda. La ventaja de este primer enfoque de tres columnas es que el dispositivo puede probarse completamente dentro de la oblea antes de cortarla. La columna de la derecha corresponde al ensamblaje de chips, que incluye el acoplamiento directo de chips de silicio a chips del grupo III-V, así como el acoplamiento mediante acopladores de lentes y rejillas. La tendencia hacia las aplicaciones comerciales se desplaza de derecha a izquierda en el gráfico, hacia 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 de fabricación retrocede gradualmente en el proceso.
Fecha de publicación: 22 de julio de 2024