אלמנט פעיל של סיליקון פוטוניקה

אלמנט פעיל של סיליקון פוטוניקה

רכיבים פעילים של פוטוניקה מתייחסים באופן ספציפי לאינטראקציות דינאמיות מעוצבות בכוונה בין אור לחומר. מרכיב פעיל טיפוסי בפוטוניקה הוא מודולטור אופטי. כל מבוסס סיליקון הנוכחימודולטורים אופטייםמבוססים על אפקט המוביל ללא פלזמה. שינוי מספר האלקטרונים והחורים החופשיים בחומר סיליקון על ידי סמים, שיטות חשמליות או אופטיות יכול לשנות את מדד השבירה המורכב שלו, תהליך המוצג במשוואות (1,2) המתקבל על ידי התאמת נתונים מסורף ובנט באורך גל של 1550 ננומטרים. בהשוואה לאלקטרונים, חורים גורמים לחלק גדול יותר של מדד השבירה האמיתי והדמיוני משתנה, כלומר הם יכולים לייצר שינוי שלב גדול יותר לשינוי אובדן נתון, כך שב-מודולטורים של Mach-Zehnderומודולי טבעת, בדרך כלל עדיף להשתמש בחורים לייצורמודולי שלב.

השוניםמודולטור סיליקון (SI)הסוגים מוצגים באיור 10 א. במודולטור הזרקת נשא, האור ממוקם בסיליקון מהותי בתוך צומת סיכה רחב מאוד, ומוזרקים אלקטרונים וחורים. עם זאת, מודולטורים כאלה איטיים יותר, בדרך כלל עם רוחב פס של 500 מגה הרץ, מכיוון שאלקטרונים וחורים חופשיים נדרשים זמן רב יותר לשחזר מחדש לאחר ההזרקה. לפיכך, מבנה זה משמש לרוב כמנחה אופטי משתנה (VOA) ולא כמודולטור. במודולטור דלדול המנשא, החלק האור ממוקם בצומת PN צר, ורוחב ההידלדלות של צומת ה- PN משתנה על ידי שדה חשמלי מיושם. מודולטור זה יכול לפעול במהירויות העולה על 50 ג'יגה -בייט/שניות, אך יש לו אובדן הכנסת רקע גבוה. ה- VPIL הטיפוסי הוא 2 V-CM. מוליך מוליך למחצה של תחמוצת מתכת (MOS) (למעשה מודול המוליכה של מוליך-מוליך-מוליך-מוליך) מכיל שכבת תחמוצת דקה בצומת PN. זה מאפשר הצטברות נשאית מסוימת כמו גם דלדול המוביל, ומאפשר VπL קטן יותר של כ- 0.2 V-CM, אך יש לו את החיסרון של הפסדים אופטיים גבוהים יותר וקיבול גבוה יותר לכל אורך יחידה. בנוסף, ישנם מודולי ספיגה חשמלית של Sige המבוססים על תנועת קצה של SIGE (סגסוגת סיליקון גרמניום). בנוסף, ישנם מודולי גרפן המסתמכים על גרפן כדי לעבור בין מתכות סופגות למבודדים שקופים. אלה מדגימים את המגוון של יישומים של מנגנונים שונים להשגת אפנון אות אופטי במהירות גבוהה ואובדן נמוך.

איור 10: (א) תרשים חתך רוחבי של עיצובים שונים של מודולטור אופטי מבוסס סיליקון ו (ב) תרשים חתך של עיצובים של גלאי אופטי.

באיור 10B מוצגים מספר גלאי אור מבוססי סיליקון. החומר הסופג הוא גרמניום (GE). GE מסוגל לספוג אור באורכי גל עד כ- 1.6 מיקרון. משמאל הוא מבנה ה- PIN המצליח ביותר מבחינה מסחרית כיום. הוא מורכב מסיליקון מסומם מסוג P עליו גדל GE. ל- GE ו- SI יש אי התאמה של 4% סריג, וכדי למזער את הניתוק, שכבה דקה של Sige מגדלת תחילה כשכבת חיץ. סמים מסוג N מבוצע בחלקו העליון של שכבת GE. פוטודיוד מתכת-מוליך-מוליך-מתכת (MSM) מוצג באמצע, ו- APD (גלאי פוטו של Avalanche) מוצג מימין. אזור המפולת ב- APD ממוקם ב- SI, בעל מאפייני רעש נמוך יותר בהשוואה לאזור המפולת בחומרים אלמנטריים בקבוצה III-V.

נכון לעכשיו, אין פתרונות עם יתרונות ברורים בשילוב רווח אופטי עם פוטוניקה סיליקון. איור 11 מציג מספר אפשרויות אפשריות המאורגנות לפי רמת ההרכבה. בשמאל השמאלי נמצאים אינטגרציות מונוליטיות הכוללות שימוש בגרמניום מגודל אפיטקסיאלי (GE) כחומר רווח אופטי, מדריכי גל זכוכית מסוממים (ER) (כמו Al2O3, הדורשת שאיבה אופטית) וזמורי קו קוונט של גליום מגודל אפיטקסי (GAAS). העמודה הבאה היא רופפת להרכבה של הוופל, הכוללת תחמוצת ומליטה אורגנית באזור הרווח של קבוצת III-V. העמודה הבאה היא מכלול שבב-לוואפר, הכולל הטמעת שבב קבוצת III-V לחלל של רקיק הסיליקון ואז מעבד את מבנה מוליך הגלים. היתרון בגישה ראשונה זו של שלושת העמודה הוא שניתן לבדוק את המכשיר פונקציונלי לחלוטין בתוך הוופל לפני החיתוך. העמודה הימנית ביותר היא מכלול שבב לשבב, כולל צימוד ישיר של שבבי סיליקון לשבבים קבוצתיים III-V, כמו גם צימוד דרך עדשה ומצמדי סורג. המגמה כלפי יישומים מסחריים עוברת מימין לצד שמאל של התרשים לעבר פתרונות משולבים ומשולבים יותר.

איור 11: כיצד משולב רווח אופטי בפוטוניקה מבוססת סיליקון. כשאתה עובר משמאל לימין, נקודת החדרת הייצור נעה בהדרגה חזרה לתהליך.