אלמנט פעיל פוטוניקה של סיליקון

אלמנט פעיל פוטוניקה של סיליקון

רכיבים פעילים בפוטוניקה מתייחסים ספציפית לאינטראקציות דינמיות שתוכננו במכוון בין אור לחומר. רכיב פעיל טיפוסי בפוטוניקה הוא מודולטור אופטי. כל הרכיבים הקיימים מבוססי סיליקון...מודולטורים אופטייםמבוססים על אפקט הנשא החופשי בפלזמה. שינוי מספר האלקטרונים החופשיים והחורים בחומר סיליקון על ידי סימום, שיטות חשמליות או אופטיות יכול לשנות את מקדם השבירה המורכב שלו, תהליך המוצג במשוואות (1,2) שהתקבל על ידי התאמת נתונים מסורף ובנט באורך גל של 1550 ננומטר. בהשוואה לאלקטרונים, חורים גורמים לחלק גדול יותר משינויי מקדם השבירה האמיתיים והמדומים, כלומר, הם יכולים לייצר שינוי פאזה גדול יותר עבור שינוי אובדן נתון, כך שב-מאפנני מאך-זנדרומודולטורים לטבעות, בדרך כלל עדיף להשתמש בחורים כדי ליצורמאפנני פאזה.

השוניםאפנן סיליקון (Si)סוגים אלה מוצגים באיור 10A. במאפנן הזרקת נושא, אור ממוקם בסיליקון פנימי בתוך צומת פינים רחב מאוד, ואלקטרונים וחורים מוזרקים. עם זאת, מאפננים כאלה איטיים יותר, בדרך כלל עם רוחב פס של 500 מגה-הרץ, מכיוון שאלקטרונים חופשיים וחורים לוקחים זמן רב יותר להתחבר מחדש לאחר ההזרקה. לכן, מבנה זה משמש לעתים קרובות כמחליש אופטי משתנה (VOA) ולא כמופנל. במאפנן דלדול נושא, חלק האור ממוקם בצומת pn צר, ורוחב הדלדול של צומת pn משתנה על ידי שדה חשמלי מופעל. מאפנן זה יכול לפעול במהירויות העולות על 50 ג'יגה-ביט לשנייה, אך יש לו אובדן הכנסה ברקע גבוה. vpil הטיפוסי הוא 2 וולט לסנטימטר. מאפנן מוליך למחצה תחמוצת מתכת (MOS) (למעשה מוליך למחצה-תחמוצת-מוליך למחצה) מכיל שכבת תחמוצת דקה בצומת pn. זה מאפשר הצטברות מסוימת של מתח נושאי מטען וכן דלדול מתח נושאי מטען, מה שמאפשר VπL קטן יותר של כ-0.2 וולט-ס"מ, אך יש לו את החיסרון של הפסדים אופטיים גבוהים יותר וקיבול גבוה יותר ליחידת אורך. בנוסף, ישנם מודולטורים של בליעה חשמלית SiGe המבוססים על תנועת קצה פס SiGe (סגסוגת סיליקון גרמניום). בנוסף, ישנם מודולטורים של גרפן המסתמכים על גרפן כדי לעבור בין מתכות סופגות למבודדים שקופים. אלה מדגימים את מגוון היישומים של מנגנונים שונים להשגת אפנון אות אופטי במהירות גבוהה ובעל הפסדים נמוכים.

איור 10: (א) תרשים חתך של עיצובים שונים של מודולטורים אופטיים מבוססי סיליקון ו-(ב) תרשים חתך של עיצובים של גלאים אופטיים.

מספר גלאי אור מבוססי סיליקון מוצגים באיור 10B. החומר הקולט הוא גרמניום (Ge). Ge מסוגל לבלוע אור באורכי גל עד כ-1.6 מיקרון. משמאל מוצג מבנה הפינים המסחרי המצליח ביותר כיום. הוא מורכב מסיליקון מסומם מסוג P עליו גדל Ge. ל-Ge ול-Si יש אי התאמה של 4% בסריג, וכדי למזער את הנקע, שכבה דקה של SiGe מגודלת תחילה כשכבת חיץ. סימום מסוג N מתבצע על גבי שכבת Ge. פוטודיודה מתכת-מוליך למחצה-מתכת (MSM) מוצגת במרכז, ו-APD (גלאי פוטו של מפולת שלגים) מוצג מימין. אזור המפולת ב-APD ממוקם ב-Si, בעל מאפייני רעש נמוכים יותר בהשוואה לאזור המפולת בחומרים אלמנטריים מקבוצה III-V.

נכון לעכשיו, אין פתרונות בעלי יתרונות ברורים בשילוב הגבר אופטי עם פוטוניקה של סיליקון. איור 11 מציג מספר אפשרויות אפשריות המאורגנות לפי רמת ההרכבה. בקצה השמאלי נמצאות אינטגרציות מונוליטיות הכוללות שימוש בגרמניום (Ge) שגדל באפיטקסיה כחומר הגבר אופטי, מוליכי גל מזכוכית מסוממת בארביום (Er) (כגון Al2O3, הדורש שאיבה אופטית), ונקודות קוונטיות של גליום ארסניד (GaAs) שגדלו באפיטקסיה. העמודה הבאה היא הרכבת פרוסה לפרוסה, הכוללת קשרי תחמוצת ואורגניים באזור ההגבר של קבוצת III-V. העמודה הבאה היא הרכבת שבב לפרוסה, הכוללת הטמעת שבב קבוצת III-V בחלל פרוסת הסיליקון ולאחר מכן עיבוד שבבי של מבנה מוליך הגל. היתרון של גישת שלוש העמודות הראשונה הזו הוא שניתן לבדוק את המכשיר באופן מלא בתוך הפרוסה לפני החיתוך. העמודה הימנית ביותר היא הרכבת שבב לפרוסה, כולל צימוד ישיר של שבבי סיליקון לשבבי קבוצת III-V, כמו גם צימוד באמצעות מצמדי עדשה וסריג. המגמה לכיוון יישומים מסחריים נעה מצד ימין לצד שמאל של התרשים לעבר פתרונות משולבים ומשולבים יותר.

איור 11: כיצד משולב הגבר אופטי בפוטוניקה מבוססת סיליקון. ככל שנעים משמאל לימין, נקודת ההכנסה של הייצור נעה בהדרגה אחורה בתהליך.