Elemento ativo fotônico de silício

Elemento ativo fotônico de silício

Os componentes ativos fotônicos 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 baseados em silíciomoduladores ópticosbaseiam-se no efeito do transportador 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 ajustando dados de Soref e Bennett em um comprimento de onda de 1550 nanômetros . Em comparação com os elétrons, os buracos causam uma proporção maior de alterações reais e imaginárias no índice de refração, ou seja, podem produzir uma mudança de fase maior para uma determinada alteração de perda, portanto, emModuladores Mach-Zehndere moduladores de anel, geralmente é preferível usar furos para fazermoduladores de fase.

Os váriosmodulador de silício (Si)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 buracos são injetados. No entanto, tais moduladores são mais lentos, normalmente com uma largura de banda de 500 MHz, porque os elétrons livres e as lacunas demoram mais para se recombinar após a injeção. Portanto, esta 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 possui uma alta perda de inserção em segundo plano. O vpil típico é 2 V-cm. Um modulador de semicondutor de óxido metálico (MOS) (na verdade, semicondutor-óxido-semicondutor) contém uma fina camada de óxido em uma junção pn. Ele permite algum acúmulo de portadores, bem como esgotamento de portadores, 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 da borda da banda SiGe (liga de silício e germânio). Além disso, existem moduladores de grafeno que dependem do grafeno para alternar entre metais absorventes e isolantes transparentes. Estes demonstram a diversidade de aplicações de diferentes mecanismos para obter modulação de sinal óptico de alta velocidade e baixa perda.

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

Vários detectores de luz baseados em silício são mostrados na Figura 10B. O material absorvente é o germânio (Ge). Ge é capaz de absorver luz em comprimentos de onda de até cerca de 1,6 mícron. À esquerda é mostrada a estrutura de pinos de maior sucesso comercial atualmente. É composto de silício dopado tipo P no qual Ge cresce. Ge e Si têm uma incompatibilidade de rede de 4% e, para minimizar o deslocamento, uma fina camada de SiGe é primeiro cultivada como camada tampão. A dopagem tipo N é realizada no topo da camada 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 possui 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 do ganho óptico com a fotônica de silício. A Figura 11 mostra diversas opções possíveis organizadas por nível de montagem. Na extrema esquerda estão integrações monolíticas que incluem o uso de germânio cultivado epitaxialmente (Ge) como material de ganho óptico, guias de onda de vidro dopados com érbio (Er) (como Al2O3, que requer bombeamento óptico) e arsenieto de gálio cultivado epitaxialmente (GaAs). ) pontos quânticos. A próxima coluna é a montagem wafer a wafer, envolvendo ligações orgânicas e óxidos 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 do wafer de silício e depois a usinagem da estrutura do guia de ondas. A vantagem desta 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 é a montagem chip a chip, incluindo acoplamento direto de chips de silício a chips do grupo III-V, bem como acoplamento por meio de acopladores de lente e grade. A tendência para aplicações comerciais está mudando 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.