אלמנט פעיל של סיליקון פוטוניק

אלמנט פעיל של סיליקון פוטוניק

רכיבים פעילים של פוטוניקה מתייחסים במיוחד לאינטראקציות דינמיות שתוכננו בכוונה בין אור לחומר. מרכיב פעיל טיפוסי של פוטוניקה הוא מאפנן אופטי. הכל מבוסס סיליקון הנוכחימאפננים אופטייםמבוססים על אפקט הנשא ללא פלזמה. שינוי מספר האלקטרונים והחורים החופשיים בחומר סיליקון על ידי סימום, שיטות חשמליות או אופטיות יכול לשנות את אינדקס השבירה המורכב שלו, תהליך המוצג במשוואות (1,2) המתקבל על ידי התאמת נתונים של שורף ובנט באורך גל של 1550 ננומטר. . בהשוואה לאלקטרונים, חורים גורמים לשיעור גדול יותר משינויי אינדקס השבירה האמיתי והדמיוני, כלומר, הם יכולים לייצר שינוי פאזה גדול יותר עבור שינוי הפסד נתון, כך שבמאפננים של מאך-זהנדרומאפננים טבעת, בדרך כלל עדיף להשתמש בחורים לעשותמאפננים פאזה.

השונותאפנן סיליקון (Si).סוגים מוצגים באיור 10A. במאפנן הזרקת נשא, האור ממוקם בסיליקון מהותי בתוך צומת פינים רחב מאוד, ומוזרקים אלקטרונים וחורים. עם זאת, מאפננים כאלה הם איטיים יותר, בדרך כלל עם רוחב פס של 500 מגה-הרץ, מכיוון שלאלקטרונים וחורים פנויים לוקח יותר זמן להתחבר מחדש לאחר ההזרקה. לכן, מבנה זה משמש לעתים קרובות כמנחת אופטי משתנה (VOA) ולא כמאפנן. במאפנן דלדול נשא, חלק האור ממוקם בצומת pn צר, ורוחב הדלדול של צומת pn משתנה על ידי שדה חשמלי מופעל. מאפנן זה יכול לפעול במהירויות העולה על 50Gb/s, אך יש לו אובדן הכנסת רקע גבוה. ה-vpil הטיפוסי הוא 2 V-cm. מוליך למחצה תחמוצת מתכת (MOS) (למעשה מוליכים למחצה-תחמוצת-מוליכים למחצה) מכיל שכבת תחמוצת דקה בצומת pn. הוא מאפשר הצטברות מסויימת של הספק וכן דלדול הנשאים, מה שמאפשר VπL קטן יותר של כ-0.2 V-cm, אך יש לו את החיסרון של הפסדים אופטיים גבוהים יותר וקיבול גבוה יותר ליחידת אורך. בנוסף, ישנם מאפני ספיגה חשמליים של SiGe המבוססים על תנועת קצה של רצועת SiGe (סגסוגת סיליקון גרמניום). בנוסף, ישנם מאפננים של גרפן המסתמכים על גרפן למעבר בין מתכות סופגות למבודדים שקופים. אלה מדגימים את מגוון היישומים של מנגנונים שונים להשגת אפנון אות אופטי במהירות גבוהה עם אובדן נמוך.

איור 10: (א) דיאגרמת חתך של עיצובים שונים של מאפננים אופטיים מבוססי סיליקון ו-(ב) דיאגרמת חתך של עיצובי גלאים אופטיים.

מספר גלאי אור מבוססי סיליקון מוצגים באיור 10B. החומר הסופג הוא גרמניום (Ge). Ge מסוגל לספוג אור באורכי גל עד לכ-1.6 מיקרון. מוצג בצד שמאל מבנה הסיכות המוצלח ביותר מבחינה מסחרית כיום. הוא מורכב מסיליקון מסומם מסוג P שעליו גדל Ge. ל-Ge ו-Si יש חוסר התאמה של סריג של 4%, וכדי למזער את הנקע, מגדלים תחילה שכבה דקה של SiGe כשכבת חיץ. סימום מסוג N מתבצע בחלק העליון של שכבת Ge. פוטודיודת מתכת-מוליך למחצה-מתכת (MSM) מוצגת באמצע, ו-APD (Photodetector של מפולת) מוצג בצד ימין. אזור המפולת ב-APD ממוקם ב-Si, בעל מאפייני רעש נמוכים יותר בהשוואה לאזור המפולת בחומרים יסודיים מקבוצה III-V.

נכון לעכשיו, אין פתרונות עם יתרונות ברורים בשילוב רווח אופטי עם פוטוניקת סיליקון. איור 11 מציג מספר אפשרויות אפשריות מאורגנות לפי רמת ההרכבה. בקצה השמאלי יש אינטגרציות מונוליטיות הכוללות שימוש בגרמניום (Ge) שגדל באפיטקסיות כחומר רווח אופטי, מוליכי גל זכוכית מסוממים בארביום (Er) (כגון Al2O3, הדורש שאיבה אופטית) וגליום ארסניד (GaAs) שגדל באפיטקסיה. ) נקודות קוונטיות. העמודה הבאה היא מכלול רקיק לרקיק, הכולל תחמוצת וקשירה אורגנית באזור הרווח של קבוצת III-V. העמודה הבאה היא הרכבת שבב-ל-wafer, הכוללת הטמעת השבב של קבוצת III-V לתוך חלל רקיקת הסיליקון ולאחר מכן עיבוד מבנה מוליך הגל. היתרון של גישת שלוש העמודות הראשונות הזו הוא שניתן לבדוק את התפקוד המלא של המכשיר בתוך הפרוסה לפני החיתוך. העמודה הכי ימנית היא מכלול שבב-שבב, כולל צימוד ישיר של שבבי סיליקון לשבבי קבוצת III-V, כמו גם צימוד באמצעות מצמדי עדשה ומצמדים. המגמה של יישומים מסחריים נעה מהצד הימני לצד השמאלי של התרשים לעבר פתרונות משולבים ומשולבים יותר.

איור 11: כיצד משולב רווח אופטי בפוטוניקה מבוססת סיליקון. כאשר אתה עובר משמאל לימין, נקודת ההחדרה של הייצור נעה בהדרגה לאחור בתהליך.