Unsur aktif fotonik silikon

Unsur aktif fotonik silikon

Komponen aktif fotonik nuduhake interaksi dinamis sing dirancang kanthi sengaja antarane cahya lan materi. Komponen aktif khas fotonik yaiku modulator optik. Kabeh arus berbasis silikonmodulator optikadhedhasar efek pembawa bebas plasma. Ngganti jumlah elektron bebas lan bolongan ing bahan silikon kanthi doping, metode listrik utawa optik bisa ngganti indeks bias sing kompleks, proses sing dituduhake ing persamaan (1,2) sing dipikolehi kanthi cocog data saka Soref lan Bennett ing dawa gelombang 1550 nanometer. Dibandhingake karo elektron, bolongan nyebabake proporsi sing luwih gedhe saka owah-owahan indeks bias nyata lan imajiner, yaiku, bisa ngasilake owah-owahan fase sing luwih gedhe kanggo owah-owahan kerugian sing diwenehake, mula ingModulator Mach-Zehnderlan modulator cincin, biasane luwih becik nggunakake bolongan kanggo nggawemodulator fase.

Macem-macemmodulator silikon (Si)Jinis-jinis kasebut dituduhake ing Gambar 10A. Ing modulator injeksi pembawa, cahya dumunung ing silikon intrinsik ing njero sambungan pin sing amba banget, lan elektron lan bolongan diinjeksi. Nanging, modulator kasebut luwih alon, biasane kanthi bandwidth 500 MHz, amarga elektron lan bolongan bebas butuh wektu luwih suwe kanggo gabung maneh sawise injeksi. Mulane, struktur iki asring digunakake minangka attenuator optik variabel (VOA) tinimbang modulator. Ing modulator penipisan pembawa, bagean cahya dumunung ing sambungan pn sing sempit, lan jembar penipisan sambungan pn diganti dening medan listrik sing ditrapake. Modulator iki bisa beroperasi kanthi kecepatan luwih saka 50Gb/s, nanging nduweni kerugian penyisipan latar mburi sing dhuwur. Vpil khas yaiku 2 V-cm. Modulator semikonduktor oksida logam (MOS) (sejatine semikonduktor-oksida-semikonduktor) ngemot lapisan oksida tipis ing sambungan pn. Iki ngidini sawetara akumulasi operator uga penipisan operator, sing ngidini VπL sing luwih cilik udakara 0,2 V-cm, nanging nduweni kekurangan kerugian optik sing luwih dhuwur lan kapasitansi sing luwih dhuwur saben unit dawa. Kajaba iku, ana modulator penyerapan listrik SiGe adhedhasar gerakan pinggiran pita SiGe (paduan silikon Germanium). Kajaba iku, ana modulator graphene sing gumantung ing graphene kanggo ngalih antarane logam penyerap lan insulator transparan. Iki nduduhake maneka warna aplikasi mekanisme sing beda kanggo entuk modulasi sinyal optik kanthi kecepatan dhuwur lan kerugian rendah.

Gambar 10: (A) Diagram penampang melintang saka macem-macem desain modulator optik berbasis silikon lan (B) diagram penampang melintang saka desain detektor optik.

Sawetara detektor cahya berbasis silikon dituduhake ing Gambar 10B. Bahan panyerep yaiku germanium (Ge). Ge bisa nyerep cahya ing dawa gelombang nganti udakara 1,6 mikron. Sing dituduhake ing sisih kiwa yaiku struktur pin sing paling sukses sacara komersial saiki. Iki kasusun saka silikon sing didoping tipe-P sing tuwuh Ge. Ge lan Si duwe ketidakcocokan kisi 4%, lan kanggo nyuda dislokasi, lapisan tipis SiGe ditumbuhake dhisik minangka lapisan buffer. Doping tipe-N ditindakake ing sisih ndhuwur lapisan Ge. Fotodioda logam-semikonduktor-logam (MSM) dituduhake ing tengah, lan APD (Fotodetektor longsor) dituduhake ing sisih tengen. Wilayah longsoran ing APD dumunung ing Si, sing nduweni karakteristik gangguan sing luwih endhek dibandhingake karo wilayah longsoran ing bahan unsur Grup III-V.

Saiki, durung ana solusi kanthi kaluwihan sing jelas kanggo nggabungake gain optik karo fotonik silikon. Gambar 11 nuduhake sawetara pilihan sing bisa diatur miturut tingkat perakitan. Ing sisih kiwa paling adoh ana integrasi monolitik sing kalebu panggunaan germanium (Ge) sing ditumbuhake sacara epitaksial minangka bahan gain optik, pandu gelombang kaca (Er) sing didoping erbium (kayata Al2O3, sing mbutuhake pompa optik), lan titik kuantum galium arsenida (GaAs) sing ditumbuhake sacara epitaksial. Kolom sabanjure yaiku perakitan wafer menyang wafer, sing nglibatake ikatan oksida lan organik ing wilayah gain grup III-V. Kolom sabanjure yaiku perakitan chip-ke-wafer, sing nglibatake penyematan chip grup III-V menyang rongga wafer silikon banjur ngolah struktur pandu gelombang. Kauntungan saka pendekatan telung kolom pisanan iki yaiku piranti kasebut bisa diuji kanthi fungsi kanthi lengkap ing njero wafer sadurunge dipotong. Kolom paling tengen yaiku perakitan chip-ke-chip, kalebu gandhengan langsung chip silikon menyang chip grup III-V, uga gandhengan liwat lensa lan coupler kisi. Tren menyang aplikasi komersial lagi obah saka sisih tengen menyang sisih kiwa grafik menyang solusi sing luwih terintegrasi lan terintegrasi.

Gambar 11: Kepiye gain optik diintegrasikake menyang fotonik berbasis silikon. Nalika sampeyan pindhah saka kiwa menyang tengen, titik penyisipan manufaktur mboko sithik obah bali ing proses kasebut.