Elemen aktif fotonik silikon

Elemen aktif fotonik silikon

Komponen aktif fotonik mengacu secara khusus pada interaksi dinamis yang dirancang sengaja antara cahaya dan materi. Komponen aktif fotonik yang khas adalah modulator optik. Semua saat ini berbasis silikonmodulator optikdidasarkan pada efek pembawa bebas plasma. Mengubah jumlah elektron bebas dan lubang pada bahan silikon dengan doping, metode listrik atau optik dapat mengubah indeks bias kompleksnya, sebuah proses yang ditunjukkan pada 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, lubang dapat menghasilkan perubahan fasa yang lebih besar untuk perubahan rugi-rugi tertentu, sehingga dalamModulator Mach-Zehnderdan modulator cincin, biasanya lebih disukai menggunakan lubang untuk membuatnyamodulator fase.

Berbagaimodulator silikon (Si).jenisnya ditunjukkan pada Gambar 10A. Dalam modulator injeksi pembawa, cahaya ditempatkan pada silikon intrinsik dalam sambungan pin yang sangat lebar, dan elektron serta lubang disuntikkan. Namun, modulator tersebut lebih lambat, biasanya dengan bandwidth 500 MHz, karena elektron bebas dan lubang 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 sambungan pn yang sempit, dan lebar penipisan sambungan pn diubah oleh medan listrik yang diterapkan. Modulator ini dapat beroperasi pada kecepatan lebih dari 50 Gb/s, namun memiliki kehilangan penyisipan latar belakang yang tinggi. Vpil tipikal adalah 2 V-cm. Modulator semikonduktor oksida logam (MOS) (sebenarnya semikonduktor-oksida-semikonduktor) mengandung lapisan oksida tipis pada sambungan pn. Hal ini memungkinkan beberapa akumulasi pembawa serta penipisan pembawa, memungkinkan VπL yang lebih kecil sekitar 0,2 V-cm, tetapi memiliki kelemahan yaitu kerugian optik yang lebih tinggi dan kapasitansi per satuan panjang yang lebih tinggi. Selain itu, terdapat modulator serapan listrik SiGe berdasarkan pergerakan tepi pita SiGe (silikon Germanium alloy). Selain itu, terdapat modulator graphene yang mengandalkan graphene untuk beralih antara logam penyerap dan isolator transparan. Ini menunjukkan keragaman penerapan mekanisme berbeda untuk mencapai modulasi sinyal optik berkecepatan tinggi dan kehilangan 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. Ditampilkan di sebelah kiri adalah struktur pin yang paling sukses secara komersial saat ini. Ini terdiri dari silikon doped tipe P tempat Ge tumbuh. Ge dan Si memiliki ketidakcocokan kisi sebesar 4%, dan untuk meminimalkan dislokasi, lapisan tipis SiGe terlebih dahulu ditumbuhkan sebagai lapisan penyangga. Doping tipe-N dilakukan di bagian atas lapisan Ge. Fotodioda logam-semikonduktor-logam (MSM) ditampilkan di tengah, dan APD (Fotodetektor longsoran salju) ditampilkan di sebelah kanan. Wilayah longsoran pada APD terletak pada Si yang memiliki karakteristik kebisingan lebih rendah dibandingkan wilayah longsoran pada material unsur golongan III-V.

Saat ini, tidak ada solusi dengan keuntungan nyata dalam mengintegrasikan penguatan optik dengan fotonik silikon. Gambar 11 menunjukkan beberapa kemungkinan opsi yang diatur berdasarkan tingkat perakitan. Di paling kiri adalah integrasi monolitik yang mencakup penggunaan germanium (Ge) yang ditumbuhkan secara epitaksi sebagai bahan penguatan optik, pandu gelombang kaca yang didoping erbium (Er) (seperti Al2O3, yang memerlukan pemompaan optik), dan galium arsenida (GaAs) yang ditumbuhkan secara epitaksi. ) titik kuantum. Kolom berikutnya adalah perakitan wafer ke wafer, yang melibatkan ikatan oksida dan organik di wilayah penguatan kelompok 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 pandu gelombang. Keuntungan dari pendekatan tiga kolom pertama ini adalah perangkat dapat diuji fungsinya secara penuh di dalam wafer sebelum dipotong. Kolom paling kanan adalah perakitan chip-ke-chip, termasuk penggandengan langsung chip silikon ke chip grup III-V, serta penggandengan melalui lensa dan penggandeng kisi. Tren menuju aplikasi komersial bergerak dari sisi kanan ke kiri grafik menuju solusi yang lebih terintegrasi dan terintegrasi.

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