Elementi aktiv fotonik i silikonit
Komponentët aktivë fotonikë i referohen konkretisht bashkëveprimeve dinamike të projektuara qëllimisht midis dritës dhe materies. Një komponent tipik aktiv i fotonikës është një modulator optik. Të gjitha pajisjet aktuale me bazë silikonimodulatorë optikëbazohen në efektin e bartësit të lirë të plazmës. Ndryshimi i numrit të elektroneve dhe vrimave të lira në një material silikoni me anë të metodave të dopingut, elektrike ose optike mund të ndryshojë indeksin e tij kompleks të thyerjes, një proces i treguar në ekuacionet (1,2) të marra duke përshtatur të dhënat nga Soref dhe Bennett në një gjatësi vale prej 1550 nanometrash. Krahasuar me elektronet, vrimat shkaktojnë një pjesë më të madhe të ndryshimeve të indeksit të thyerjes reale dhe imagjinare, domethënë, ato mund të prodhojnë një ndryshim më të madh të fazës për një ndryshim të caktuar të humbjes, kështu që nëModulatorët Mach-Zehnderdhe modulatorëve të unazave, zakonisht preferohet të përdoren vrima për të bërëmodulatorët e fazës.
Të ndryshmetmodulator silikoni (Si)Llojet tregohen në Figurën 10A. Në një modulator injeksioni bartës, drita ndodhet në silikonin intrinsik brenda një kryqëzimi shumë të gjerë të kunjave, dhe injektohen elektrone dhe vrima. Megjithatë, modulatorë të tillë janë më të ngadaltë, zakonisht me një gjerësi bande prej 500 MHz, sepse elektronet dhe vrimat e lira zgjasin më shumë kohë për t'u rikombinuar pas injektimit. Prandaj, kjo strukturë përdoret shpesh si një dobësues optik i ndryshueshëm (VOA) në vend të një modulatori. Në një modulator me pakësim bartës, pjesa e dritës ndodhet në një kryqëzim të ngushtë pn, dhe gjerësia e pakësimit të kryqëzimit pn ndryshohet nga një fushë elektrike e aplikuar. Ky modulator mund të funksionojë me shpejtësi mbi 50 Gb/s, por ka një humbje të lartë të futjes në sfond. Vpil tipik është 2 V-cm. Një modulator gjysmëpërçues oksid metali (MOS) (në fakt gjysmëpërçues-oksid-gjysmëpërçues) përmban një shtresë të hollë oksidi në një kryqëzim pn. Ai lejon një akumulim të bartësit, si dhe pakësim të bartësit, duke lejuar një VπL më të vogël prej rreth 0.2 V-cm, por ka disavantazhin e humbjeve më të larta optike dhe kapacitetit më të lartë për njësi gjatësie. Përveç kësaj, ekzistojnë modulatorë të absorbimit elektrik SiGe të bazuar në lëvizjen e skajit të brezit SiGe (aliazh silikoni-germaniumi). Përveç kësaj, ekzistojnë modulatorë të grafenit që mbështeten në grafen për të kaluar midis metaleve absorbuese dhe izolatorëve transparentë. Këto demonstrojnë larminë e aplikimeve të mekanizmave të ndryshëm për të arritur modulim të sinjalit optik me shpejtësi të lartë dhe humbje të ulët.
Figura 10: (A) Diagrama e prerjes tërthore e modeleve të ndryshme të modulatorëve optikë me bazë silikoni dhe (B) diagrama e prerjes tërthore e modeleve të detektorëve optikë.
Disa detektorë drite me bazë silikoni janë paraqitur në Figurën 10B. Materiali thithës është germaniumi (Ge). Ge është në gjendje të thithë dritën në gjatësi vale deri në rreth 1.6 mikronë. Në të majtë tregohet struktura e kunjit më e suksesshme komercialisht sot. Ajo përbëhet nga silikon i dopuar tip P mbi të cilin rritet Ge. Ge dhe Si kanë një mospërputhje rrjete prej 4%, dhe për të minimizuar zhvendosjen, një shtresë e hollë e SiGe rritet së pari si një shtresë tampon. Dopimi i tipit N kryhet në majë të shtresës Ge. Një fotodiodë metal-gjysmëpërçues-metal (MSM) tregohet në mes, dhe një APD (Fotodetektor ortekësh) tregohet në të djathtë. Rajoni i ortekut në APD ndodhet në Si, i cili ka karakteristika më të ulëta të zhurmës krahasuar me rajonin e ortekut në materialet elementare të Grupit III-V.
Aktualisht, nuk ka zgjidhje me avantazhe të dukshme në integrimin e fitimit optik me fotonikën e silikonit. Figura 11 tregon disa opsione të mundshme të organizuara sipas nivelit të montimit. Në të majtën ekstreme janë integrimet monolitike që përfshijnë përdorimin e germaniumit (Ge) të rritur epitaksialisht si një material fitimi optik, valëpërçues qelqi të dopuar me erbium (Er) (siç është Al2O3, i cili kërkon pompim optik) dhe pika kuantike të arsenidit të galiumit (GaAs) të rritur epitaksialisht. Kolona tjetër është montimi i pllakës me pllakë, që përfshin lidhjen e oksidit dhe organike në rajonin e fitimit të grupit III-V. Kolona tjetër është montimi çip-me-pllakë, i cili përfshin ngulitjen e çipit të grupit III-V në zgavrën e pllakës së silikonit dhe më pas përpunimin e strukturës së valëpërçuesit. Avantazhi i kësaj qasjeje të parë me tre kolona është se pajisja mund të jetë plotësisht funksionale e testuar brenda pllakës para prerjes. Kolona më e djathtë është montimi çip-me-çip, duke përfshirë bashkimin direkt të çipave të silikonit me çipat e grupit III-V, si dhe bashkimin nëpërmjet lentes dhe bashkuesve të rrjetës. Trendi drejt aplikacioneve komerciale po lëviz nga ana e djathtë në të majtë të grafikut, drejt zgjidhjeve gjithnjë e më të integruara.
Figura 11: Si integrohet përforcimi optik në fotonikën me bazë silikoni. Ndërsa lëvizni nga e majta në të djathtë, pika e futjes në prodhim lëviz gradualisht prapa në proces.
Koha e postimit: 22 korrik 2024