Elemento ativo de fotônica de silício
Os componentes ativos fotônicos referem-se especificamente a interações dinâmicas projetadas intencionalmente entre luz e matéria. Um componente ativo típico da fotônica é um modulador óptico. Todos os moduladores ópticos atuais são baseados em silício.moduladores ópticossão baseados no efeito de portadores livres de plasma. Alterar o número de elétrons e lacunas livres 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. Comparadas aos elétrons, as lacunas causam uma proporção maior das mudanças nos índices de refração real e imaginário, 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 portadores, a luz é localizada no silício intrínseco dentro de uma junção pn 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 os elétrons e lacunas livres levam mais tempo para se recombinarem 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 portadores, a porção de luz é localizada em uma junção pn estreita, e a largura da região de depleção da junção pn é alterada por um campo elétrico aplicado. Esse modulador pode operar em velocidades superiores a 50 Gb/s, mas apresenta uma alta perda de inserção de fundo. O vpil típico é de 2 V-cm. Um modulador metal-óxido-semicondutor (MOS) (na verdade, semicondutor-óxido-semicondutor) contém uma fina camada de óxido em uma junção pn. Isso permite tanto o acúmulo quanto a depleção de portadores, possibilitando um VπL menor, de cerca de 0,2 V-cm, mas com 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 da borda da banda de SiGe (liga de silício-germânio). Há também moduladores de grafeno que utilizam o 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 baixa perda.
Figura 10: (A) Diagrama em corte transversal de vários projetos de moduladores ópticos baseados em silício e (B) diagrama em corte transversal de projetos de detectores ópticos.
Diversos detectores de luz baseados em 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 micrômetros. À esquerda, é mostrada a estrutura PIN de maior sucesso comercial atualmente. Ela é composta de silício dopado com tipo P sobre o qual o Ge cresce. O Ge e o Si têm uma diferença de rede de 4% e, para minimizar a discordância, uma fina camada de SiGe é cultivada primeiro como camada tampão. A dopagem com tipo N é realizada sobre a 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 no APD está localizada no 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. À esquerda, encontram-se as integrações monolíticas que incluem o uso de germânio (Ge) cultivado epitaxialmente como material de ganho óptico, guias de onda de vidro dopado com érbio (Er) (como Al₂O₃, que requer bombeamento óptico) e pontos quânticos de arseneto de gálio (GaAs) cultivados epitaxialmente. A coluna seguinte representa a montagem wafer a wafer, envolvendo ligações de óxido e orgânicas na região de ganho do grupo III-V. A coluna seguinte representa 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 abordagem com as três primeiras colunas é que o dispositivo pode ser totalmente testado funcionalmente dentro do wafer antes do corte. A coluna mais à direita representa 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 lentes e acopladores de grade. A tendência para aplicações comerciais está se deslocando da direita para a esquerda no gráfico, em direção a soluções mais integradas e interconectadas.
Figura 11: Como o ganho óptico é integrado na fotônica baseada em silício. À medida que você se move da esquerda para a direita, o ponto de inserção na fabricação recua gradualmente no processo.
Data da publicação: 22 de julho de 2024