Siliziumphotonik aktives Element
Photonik aktive Komponenten beziehen sich speziell auf absichtlich gestaltete dynamische Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie. Eine typische aktive Komponente der Photonik ist ein optischer Modulator. Alle aktuellen SiliziumbasisOptische Modulatorenbasieren auf dem freien Plasma -freien Trägereffekt. Durch Ändern der Anzahl freier Elektronen und Löcher in einem Siliziummaterial durch Dotierung, elektrische oder optische Methoden kann der komplexe Brechungsindex geändert werden. Ein in Gleichungen (1,2) angezeigter Prozess, der durch Anpassung von Daten aus Soref und Bennett bei einer Wellenlänge von 1550 Nanometern erhalten wird. Im Vergleich zu Elektronen verursachen Löcher einen größeren Anteil der realen und imaginären Brechungsindexänderungen, dh sie können eine größere Phasenänderung für eine bestimmte Verluständerung erzeugen, also inMach-Zehnder-Modulatorenund Ringmodulatoren wird normalerweise bevorzugt, Löcher zu verwenden, um sie zu machenPhasenmodulatoren.
Die verschiedenenSiliziummodulator (SI)Die Typen sind in Abbildung 10a dargestellt. In einem Trägerinjektionsmodulator befindet sich das Licht in intrinsischem Silizium innerhalb einer sehr breiten Stiftverbindung, und Elektronen und Löcher werden injiziert. Solche Modulatoren sind jedoch langsamer, typischerweise mit einer Bandbreite von 500 MHz, da die freien Elektronen und Löcher nach der Injektion länger rekombinieren. Daher wird diese Struktur häufig eher als variabler optischer Dämpfungsmittel (VOA) als als Modulator verwendet. In einem Trägermodulator befindet sich der leichte Teil in einer schmalen PN -Verbindung, und die Abbaubreite des PN -Übergangs wird durch ein angelegtes elektrisches Feld verändert. Dieser Modulator kann mit Geschwindigkeiten von mehr als 50 GB/s arbeiten, hat jedoch einen hohen Hintergrundinsertionsverlust. Der typische VPIL beträgt 2 V-CM. Ein Metalloxid-Halbleiter (MOS) (eigentlich Halbleiter-Oxid-Diemedonductor) -Modulator enthält eine dünne Oxidschicht in einem PN-Übergang. Es ermöglicht einige Trägerakkumulation sowie eine Trägerverarmung, die ein kleineres VπL von etwa 0,2 V-CM ermöglicht, hat jedoch den Nachteil höherer optischer Verluste und höherer Kapazität pro Länge der Einheiten. Darüber hinaus gibt es SIGE -elektrische Absorptionsmodulatoren, die auf SIGE -Bandkantenbewegung (Silicon Germanium -Legierung) basieren. Darüber hinaus gibt es Graphenmodulatoren, die sich auf Graphen verlassen, um zwischen absorbierenden Metallen und transparenten Insulatoren zu wechseln. Diese zeigen die Vielfalt der Anwendungen verschiedener Mechanismen, um eine optische Signalmodulation mit hoher Geschwindigkeit zu erreichen.
Abbildung 10: (a) Querschnittsdiagramm verschiedener optischer Modulatordesigns auf Siliziumbasis und (b) Querschnittsdiagramm der optischen Detektorkonstruktionen.
Mehrere Lichtdetektoren auf Siliziumbasis sind in Abbildung 10b dargestellt. Das absorbierende Material ist Germanium (GE). GE ist in der Lage, Licht bei Wellenlängen auf etwa 1,6 Mikrometer zu absorbieren. Links ist heute die kommerziell erfolgreichste Pinstruktur gezeigt. Es besteht aus dotiertem Silizium vom P-Typ, auf dem GE wächst. GE und Si haben eine 4% ige Gitterfehlanpassung, und um die Versetzung zu minimieren, wird eine dünne Sige -Schicht zuerst als Pufferschicht angebaut. Das N-Typ-Doping wird oben auf der GE-Schicht durchgeführt. Eine metall-schwingende Photodiode (MSM) ist in der Mitte und eine APD (APD (Avalanche -Fotodetektor) wird rechts angezeigt. Die Lawinenregion in APD befindet sich in SI, was im Vergleich zur Avalanche-Region in Elementarmaterialien der Gruppe III-V niedrigere Rauscheigenschaften aufweist.
Gegenwärtig gibt es keine Lösungen mit offensichtlichen Vorteilen bei der Integration des optischen Gewinns mit Siliziumphotonik. Abbildung 11 zeigt mehrere mögliche Optionen, die nach Montageebene organisiert sind. Ganz links befinden sich monolithische Integrationen, die die Verwendung von epitaxiell angebautem Germanium (GE) als optisches Gewinnmaterial, Erbium-dotiertes (ER) Glaswellenleiter (wie Al2O3, für das optische Pumpen erforderlich sind) und epitaxiell angebautes Galliumarsenid (GAAS) Quantum-Dots umfassen. Die nächste Säule ist Wafer für die Waferbaugruppe, die Oxid und organische Bindung in der III-V-Gruppengewinnregion umfasst. Die nächste Säule ist Chip-to-Wafer-Baugruppe, bei der der III-V-Gruppenchip in den Hohlraum des Siliziumwafers eingebettet und dann die Wellenleiterstruktur bearbeitet wird. Der Vorteil dieses ersten drei Spaltenansatzes besteht darin, dass das Gerät vor dem Schneiden im Wafer voll funktionsfähig sein kann. Die rechte Säule besteht aus der Chip-to-Chip-Baugruppe, einschließlich der direkten Kopplung von Siliziumchips mit III-V-Gruppenchips sowie der Kopplung über Linse und Gitterkoppler. Der Trend zu kommerziellen Anwendungen bewegt sich von rechts zur linken Seite des Diagramms in Richtung integrierterer und integrierterer Lösungen.
Abbildung 11: Wie der optische Gewinn in Siliziumbasis-Photonik integriert wird. Wenn Sie sich von links nach rechts bewegen, bewegt sich der Fertigungsinsertionspunkt allmählich zurück.
Postzeit: Juli-22-2024