Elemento ativo da Silicon Photonics

Elemento ativo da Silicon Photonics

Os componentes ativos da fotônica se referem especificamente a interações dinâmicas intencionalmente projetadas entre luz e matéria. Um componente ativo típico da fotônica é um modulador óptico. Todos os atuais baseados em silícioModuladores ópticossão baseados no efeito da transportadora livre de plasma. Alterando o número de elétrons e orifícios livres em um material de silício por dopagem, métodos elétricos ou ópticos podem alterar seu complexo índice de refração, um processo mostrado nas equações (1,2) obtido ajustando os dados de Soref e Bennett a um comprimento de onda de 1550 nanômetros. Comparados com os elétrons, os orifícios causam uma proporção maior das mudanças reais e imaginárias ao índice de refração, ou seja, eles podem produzir uma mudança de fase maior para uma determinada mudança de perda; portanto, emModuladores Mach-Zehndere moduladores de anel, geralmente é preferido usar buracos para fazerModuladores de fase.

Os váriosModulador de silício (SI)Os tipos são mostrados na Figura 10A. Em um modulador de injeção de transportadora, a luz está localizada em silício intrínseco dentro de uma junção muito larga e os elétrons e os orifícios são injetados. No entanto, esses moduladores são mais lentos, normalmente com uma largura de banda de 500 MHz, porque elétrons e orifícios livres levam mais tempo para 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 transportadora, a parte da luz está localizada em uma junção PN estreita e a largura da depleção da junção PN é alterada por um campo elétrico aplicado. Este modulador pode operar em velocidades superiores a 50 GB/s, mas possui uma alta perda de inserção de fundo. O VPIL típico é de 2 V-CM. Um modulador de semicondutor de óxido de metal (MOS) (na verdade, o modulador de semicondutor-óxido-semicondutor) contém uma fina camada de óxido em uma junção PN. Permite algum acúmulo de portador e depleção de portadora, permitindo um Vπl menor de cerca de 0,2 V-CM, mas tem a desvantagem de maiores perdas ópticas e maior capacitância por unidade de comprimento. Além disso, existem moduladores de absorção elétrica SIGE baseados no movimento SIGE (Silicon germânio liga). Além disso, existem moduladores de grafeno que dependem do grafeno para alternar entre metais absorventes e isoladores transparentes. Eles demonstram a diversidade de aplicações de diferentes mecanismos para obter modulação de sinal óptico de alta velocidade e baixa perda.

Figura 10: (a) Diagrama transversal de vários projetos de modulador óptico à base de silício e (b) diagrama de seção transversal de projetos de detectores ópticos.

Vários detectores de luz à base de silício são mostrados na Figura 10b. O material absorvente é germânio (GE). A GE é capaz de absorver a luz nos comprimentos de onda até cerca de 1,6 mícrons. Mostrado à esquerda está a estrutura de pinos de maior sucesso comercial hoje. É composto de silício dopado do tipo P no qual a GE cresce. O GE e o SI têm uma incompatibilidade de treliça a 4% e, para minimizar a luxação, uma fina camada de sige é cultivada como uma camada de buffer. O doping do tipo n é realizado na parte superior da camada GE. Um fotodiodo de metal-semicondutor-metal (MSM) é mostrado no meio e um APD (fotodetector de avalanche) é mostrado à direita. A região de avalanche na APD está localizada no SI, que possui características de ruído mais baixas em comparação com a região de avalanche nos materiais elementares do grupo III-V.

Atualmente, não há soluções com vantagens óbvias na integração do ganho óptico com a silício Photonics. A Figura 11 mostra várias opções possíveis organizadas pelo nível da montagem. Na extrema esquerda estão as integrações monolíticas que incluem o uso de germânio de Germio (GE) cultivado epitaxialmente como um material de ganho óptico, guias de ondas de vidro dopados com erbio (ER) (como Al2O3, que requer bombeamento óptico) e pontos quânticos de gálio (GaAs) cultivados por epitaxialmente. A próxima coluna é a Wafer para a montagem de wafer, envolvendo óxido e ligação orgânica na região de ganho do grupo III-V. A próxima coluna é a montagem Chip-to-Wafer, que envolve a incorporação do chip do grupo III-V na cavidade da bolacha de silício e depois em usinar a estrutura do guia de ondas. A vantagem dessa abordagem de três primeiras colunas é que o dispositivo pode ser totalmente funcional testado dentro da bolacha antes de cortar. A coluna mais à direita é a montagem chip-chip, incluindo acoplamento direto de chips de silício aos chips do grupo III-V, bem como acoplamento por meio de lentes e acopladores de grade. A tendência para aplicações comerciais está passando da direita para o lado esquerdo do gráfico em direção a soluções mais integradas e integradas.

Figura 11: Como o ganho óptico é integrado à fotônica à base de silício. À medida que você passa da esquerda para a direita, o ponto de inserção de fabricação volta gradualmente de volta ao processo.