Elemen aktif fotonik silikon

Elemen aktif fotonik silikon

Komponen aktif fotonik merujuk secara khusus pada interaksi dinamis yang dirancang secara sengaja antara cahaya dan materi. Komponen aktif fotonik yang umum adalah modulator optik. Semua komponen berbasis silikon saat inimodulator optikdidasarkan pada efek pembawa bebas plasma. Mengubah jumlah elektron dan lubang bebas dalam bahan silikon dengan metode doping, listrik atau optik dapat mengubah indeks bias kompleksnya, suatu proses yang ditunjukkan dalam persamaan (1,2) yang diperoleh dengan mencocokkan data dari Soref dan Bennett pada panjang gelombang 1550 nanometer. Dibandingkan dengan elektron, lubang menyebabkan proporsi perubahan indeks bias nyata dan imajiner yang lebih besar, yaitu, mereka dapat menghasilkan perubahan fase yang lebih besar untuk perubahan kerugian tertentu, jadi dalamModulator Mach-Zehnderdan modulator cincin, biasanya lebih disukai menggunakan lubang untuk membuatmodulator fase.

Berbagai macammodulator silikon (Si)jenis ditunjukkan pada Gambar 10A. Dalam modulator injeksi pembawa, cahaya terletak di silikon intrinsik dalam sambungan pin yang sangat lebar, dan elektron dan lubang disuntikkan. Namun, modulator tersebut lebih lambat, biasanya dengan lebar pita 500 MHz, karena elektron dan lubang bebas membutuhkan waktu lebih lama untuk bergabung kembali setelah injeksi. Oleh karena itu, struktur ini sering digunakan sebagai peredam optik variabel (VOA) daripada modulator. Dalam modulator penipisan pembawa, bagian cahaya terletak di sambungan pn yang sempit, dan lebar penipisan sambungan pn diubah oleh medan listrik yang diberikan. Modulator ini dapat beroperasi pada kecepatan lebih dari 50Gb/s, tetapi memiliki kehilangan penyisipan latar belakang yang tinggi. vpil yang umum adalah 2 V-cm. Modulator semikonduktor oksida logam (MOS) (sebenarnya semikonduktor-oksida-semikonduktor) mengandung lapisan oksida tipis di sambungan pn. Hal ini memungkinkan akumulasi pembawa muatan serta penipisan pembawa muatan, sehingga memungkinkan VπL yang lebih kecil sekitar 0,2 V-cm, tetapi memiliki kerugian berupa kerugian optik yang lebih tinggi dan kapasitansi yang lebih tinggi per satuan panjang. Selain itu, ada modulator penyerapan listrik SiGe yang didasarkan pada pergerakan tepi pita SiGe (paduan silikon Germanium). Selain itu, ada modulator grafena yang mengandalkan grafena untuk beralih antara logam penyerap dan isolator transparan. Hal ini menunjukkan keragaman aplikasi berbagai mekanisme untuk mencapai modulasi sinyal optik berkecepatan tinggi dan kerugian rendah.

Gambar 10: (A) Diagram penampang berbagai desain modulator optik berbasis silikon dan (B) diagram penampang desain detektor optik.

Beberapa detektor cahaya berbasis silikon ditunjukkan pada Gambar 10B. Bahan penyerapnya adalah germanium (Ge). Ge mampu menyerap cahaya pada panjang gelombang hingga sekitar 1,6 mikron. Yang ditunjukkan di sebelah kiri adalah struktur pin yang paling sukses secara komersial saat ini. Struktur ini tersusun dari silikon doping tipe-P tempat Ge tumbuh. Ge dan Si memiliki ketidaksesuaian kisi sebesar 4%, dan untuk meminimalkan dislokasi, lapisan tipis SiGe pertama-tama ditumbuhkan sebagai lapisan penyangga. Doping tipe-N dilakukan di bagian atas lapisan Ge. Fotodioda logam-semikonduktor-logam (MSM) ditunjukkan di tengah, dan APD (Fotodetektor longsor) ditunjukkan di sebelah kanan. Daerah longsoran dalam APD terletak di Si, yang memiliki karakteristik kebisingan lebih rendah dibandingkan dengan daerah longsoran dalam bahan unsur Grup III-V.

Saat ini, tidak ada solusi dengan keuntungan yang jelas dalam mengintegrasikan penguatan optik dengan fotonik silikon. Gambar 11 menunjukkan beberapa opsi yang mungkin yang disusun berdasarkan tingkat perakitan. Di paling kiri adalah integrasi monolitik yang mencakup penggunaan germanium (Ge) yang tumbuh secara epitaksial sebagai bahan penguatan optik, pemandu gelombang kaca yang didoping erbium (Er) (seperti Al2O3, yang memerlukan pemompaan optik), dan titik kuantum galium arsenida (GaAs) yang tumbuh secara epitaksial. Kolom berikutnya adalah perakitan wafer ke wafer, yang melibatkan ikatan oksida dan organik di wilayah penguatan grup III-V. Kolom berikutnya adalah perakitan chip-ke-wafer, yang melibatkan penanaman chip grup III-V ke dalam rongga wafer silikon dan kemudian pemesinan struktur pemandu gelombang. Keuntungan dari pendekatan tiga kolom pertama ini adalah bahwa perangkat dapat diuji secara fungsional sepenuhnya di dalam wafer sebelum pemotongan. Kolom paling kanan adalah perakitan chip-to-chip, termasuk penyambungan langsung chip silikon ke chip grup III-V, serta penyambungan melalui lensa dan penyambung kisi. Tren menuju aplikasi komersial bergerak dari sisi kanan ke sisi kiri bagan menuju solusi yang lebih terpadu dan terintegrasi.

Gambar 11: Bagaimana penguatan optik diintegrasikan ke dalam fotonik berbasis silikon. Saat Anda bergerak dari kiri ke kanan, titik penyisipan produksi secara bertahap bergerak mundur dalam proses tersebut.