Elemen Aktif Fotonik Silikon
Komponen aktif fotonik merujuk secara khusus untuk interaksi dinamis yang dirancang secara sengaja antara cahaya dan materi. Komponen fotonik aktif yang khas adalah modulator optik. Semua berbasis silikon saat inimodulator optikdidasarkan pada efek operator bebas plasma. Mengubah jumlah elektron dan lubang bebas dalam bahan silikon dengan doping, metode listrik atau optik dapat mengubah indeks bias kompleksnya, proses yang ditunjukkan dalam persamaan (1,2) yang diperoleh dengan memasang data dari Soref dan Bennett pada panjang gelombang 1550 nanometer. Dibandingkan dengan elektron, lubang menyebabkan proporsi yang lebih besar dari perubahan indeks bias nyata dan imajiner, yaitu, mereka dapat menghasilkan perubahan fase yang lebih besar untuk perubahan kerugian yang diberikan, jadi di dalamModulator Mach-Zehnderdan modulator cincin, biasanya lebih disukai menggunakan lubang untuk dibuatModulator Fase.
Berbagaimodulator silikon (SI)Jenis ditunjukkan pada Gambar 10a. Dalam modulator injeksi pembawa, cahaya terletak di silikon intrinsik dalam persimpangan pin yang sangat lebar, dan elektron dan lubang disuntikkan. Namun, modulator semacam itu lebih lambat, biasanya dengan bandwidth 500 MHz, karena elektron dan lubang gratis membutuhkan waktu lebih lama untuk bergabung kembali setelah injeksi. Oleh karena itu, struktur ini sering digunakan sebagai attenuator optik variabel (VOA) daripada modulator. Dalam modulator penipisan pembawa, bagian cahaya terletak di persimpangan PN sempit, dan lebar penipisan persimpangan PN diubah oleh medan listrik yang diterapkan. Modulator ini dapat beroperasi dengan kecepatan lebih dari 50GB/s, tetapi memiliki kehilangan penyisipan latar belakang yang tinggi. VPIL khas adalah 2 V-CM. Modulator semikonduktor oksida logam (MOS) (sebenarnya semikonduktor-oksida-semikonduktor) mengandung lapisan oksida tipis di persimpangan PN. Ini memungkinkan beberapa akumulasi pembawa serta penipisan pembawa, memungkinkan VπL yang lebih kecil sekitar 0,2 V-CM, tetapi memiliki kelemahan dari kerugian optik yang lebih tinggi dan kapasitansi yang lebih tinggi per satuan panjang. Selain itu, ada modulator penyerapan listrik SIGE berdasarkan gerakan tepi pita SIGE (silicon germanium). Selain itu, ada modulator graphene yang mengandalkan graphene untuk beralih antara menyerap logam dan isolator transparan. Ini menunjukkan keragaman aplikasi mekanisme yang berbeda untuk mencapai modulasi sinyal optik berkecepatan tinggi dan rendah.
Gambar 10: (a) Diagram cross-sectional dari berbagai desain modulator optik berbasis silikon dan (b) diagram cross-sectional dari desain detektor optik.
Beberapa detektor cahaya berbasis silikon ditunjukkan pada Gambar 10b. Bahan penyerap adalah germanium (GE). GE mampu menyerap cahaya pada panjang gelombang hingga sekitar 1,6 mikron. Ditampilkan di sebelah kiri adalah struktur pin yang paling sukses secara komersial saat ini. Ini terdiri dari silikon doped tipe-p yang tumbuh ge. GE dan SI memiliki ketidakcocokan kisi 4%, dan untuk meminimalkan dislokasi, lapisan tipis sige pertama kali ditanam sebagai lapisan penyangga. Doping tipe-N dilakukan di bagian atas lapisan GE. Fotodioda logam-semikonduktor-metal (MSM) ditampilkan di tengah, dan APD (Avalanche Photodetector) ditampilkan di sebelah kanan. Wilayah longsoran dalam APD terletak di SI, yang memiliki karakteristik kebisingan yang lebih rendah dibandingkan dengan wilayah longsoran dalam bahan unsur kelompok III-V.
Saat ini, tidak ada solusi dengan keunggulan yang jelas dalam mengintegrasikan keuntungan optik dengan silikon fotonik. Gambar 11 menunjukkan beberapa opsi yang mungkin diselenggarakan oleh tingkat perakitan. Di paling kiri adalah integrasi monolitik yang mencakup penggunaan germanium yang ditanam secara epitaxially (GE) sebagai bahan gain optik, pandu gelombang kaca (ER) Erbium (seperti AL2O3, yang membutuhkan pemompaan optik), dan titik kuantum galsen arsenida (GaAs) yang ditanam secara epitaxial. Kolom berikutnya adalah Wafer to Wafer Assembly, yang melibatkan ikatan oksida dan organik di wilayah gain kelompok III-V. Kolom berikutnya adalah perakitan chip-to-wafer, yang melibatkan penyematan chip kelompok III-V ke dalam rongga wafer silikon dan kemudian memesahkan struktur pandu gelombang. Keuntungan dari pendekatan tiga kolom pertama ini adalah bahwa perangkat dapat diuji sepenuhnya berfungsi di dalam wafer sebelum dipotong. Kolom paling kanan adalah perakitan chip-to-chip, termasuk kopling langsung chip silikon ke chip grup III-V, serta penggabungan melalui lensa dan kisi-kisi. Tren menuju aplikasi komersial bergerak dari kanan ke sisi kiri bagan menuju solusi yang lebih terintegrasi dan terintegrasi.
Gambar 11: Bagaimana keuntungan optik diintegrasikan ke dalam fotonik berbasis silikon. Saat Anda bergerak dari kiri ke kanan, titik penyisipan manufaktur secara bertahap bergerak kembali dalam proses.
Waktu posting: Jul-22-2024