Elemento ativo fotônico de silício

Elemento ativo fotônico de silício

Os componentes ativos da fotônica referem-se especificamente a interações dinâmicas intencionalmente projetadas entre luz e matéria. Um componente ativo típico da fotônica é um modulador óptico. Todos os atuais à base de silíciomoduladores ópticosbaseiam-se no efeito de portador livre de plasma. Alterar o número de elétrons livres e lacunas em um material de silício por dopagem, métodos elétricos ou ópticos pode alterar seu índice de refração complexo, um processo mostrado nas equações (1, 2) obtidas pelo ajuste de dados de Soref e Bennett em um comprimento de onda de 1550 nanômetros. Comparados aos elétrons, as lacunas causam uma proporção maior das mudanças reais e imaginárias no índice de refração, ou seja, podem produzir uma mudança de fase maior para uma dada mudança de perda, portanto, emModuladores Mach-Zehndere moduladores de anel, geralmente é preferível usar furos para fazermoduladores de fase.

Os váriosmodulador de silício (Si)Os tipos são mostrados na Figura 10A. Em um modulador de injeção de portadora, a luz está localizada no silício intrínseco dentro de uma junção de pinos muito larga, e elétrons e lacunas são injetados. No entanto, esses moduladores são mais lentos, tipicamente com uma largura de banda de 500 MHz, porque elétrons e lacunas livres levam mais tempo para se recombinar após a injeção. Portanto, essa estrutura é frequentemente usada como um atenuador óptico variável (VOA) em vez de um modulador. Em um modulador de depleção de portadora, a porção de luz está localizada em uma junção pn estreita, e a largura de depleção da junção pn é alterada por um campo elétrico aplicado. Este modulador pode operar em velocidades superiores a 50 Gb/s, mas tem uma alta perda de inserção de fundo. O vpil típico é de 2 V-cm. Um modulador semicondutor de óxido metálico (MOS) (na verdade, semicondutor-óxido-semicondutor) contém uma fina camada de óxido em uma junção pn. Permite algum acúmulo de portadores, bem como depleção de portadores, permitindo um VπL menor, de cerca de 0,2 V-cm, mas apresenta a desvantagem de maiores perdas ópticas e maior capacitância por unidade de comprimento. Além disso, existem moduladores de absorção elétrica de SiGe baseados no movimento de borda de banda de SiGe (liga de silício-germânio). Além disso, existem moduladores de grafeno que dependem do grafeno para alternar entre metais absorventes e isolantes transparentes. Isso demonstra a diversidade de aplicações de diferentes mecanismos para alcançar modulação de sinal óptico de alta velocidade e baixas perdas.

Figura 10: (A) Diagrama transversal de vários projetos de moduladores ópticos baseados em silício e (B) diagrama transversal de projetos de detectores ópticos.

Vários detectores de luz à base de silício são mostrados na Figura 10B. O material absorvente é o germânio (Ge). O Ge é capaz de absorver luz em comprimentos de onda de até cerca de 1,6 mícron. À esquerda, é mostrada a estrutura de pino de maior sucesso comercial atualmente. Ela é composta de silício dopado do tipo P, sobre o qual o Ge cresce. Ge e Si apresentam uma incompatibilidade de rede de 4% e, para minimizar o deslocamento, uma fina camada de SiGe é inicialmente cultivada como camada tampão. A dopagem do tipo N é realizada na parte superior da camada de Ge. Um fotodiodo metal-semicondutor-metal (MSM) é mostrado no meio, e um APD (fotodetector de avalanche) é mostrado à direita. A região de avalanche em APD está localizada em Si, que apresenta características de ruído mais baixas em comparação com a região de avalanche em materiais elementares do Grupo III-V.

Atualmente, não existem soluções com vantagens óbvias na integração de ganho óptico com fotônica de silício. A Figura 11 mostra diversas opções possíveis, organizadas por nível de montagem. Na extrema esquerda, estão as integrações monolíticas que incluem o uso de germânio (Ge) cultivado epitaxialmente como material de ganho óptico, guias de onda de vidro dopados com érbio (Er) (como Al2O3, que requer bombeamento óptico) e pontos quânticos de arsenieto de gálio (GaAs) cultivados epitaxialmente. A próxima coluna é a montagem wafer-a-wafer, envolvendo ligações óxido e orgânicas na região de ganho do grupo III-V. A próxima coluna é a montagem chip-a-wafer, que envolve a incorporação do chip do grupo III-V na cavidade do wafer de silício e, em seguida, a usinagem da estrutura do guia de onda. A vantagem dessa primeira abordagem de três colunas é que o dispositivo pode ser totalmente testado funcionalmente dentro do wafer antes do corte. A coluna mais à direita mostra a montagem chip a chip, incluindo o acoplamento direto de chips de silício a chips do grupo III-V, bem como o acoplamento por meio de acopladores de lentes e grades. A tendência para aplicações comerciais está se movendo da direita para a esquerda do gráfico, em direção a soluções mais integradas e integradas.

Figura 11: Como o ganho óptico é integrado à fotônica baseada em silício. À medida que você move da esquerda para a direita, o ponto de inserção de fabricação recua gradualmente no processo.