Elemen aktif fotonik silikon
Komponen aktif fotonik secara khusus merujuk pada interaksi dinamis yang dirancang secara sengaja antara cahaya dan materi. Komponen aktif fotonik yang umum adalah modulator optik. Semua modulator berbasis silikon saat inimodulator optikdidasarkan pada efek pembawa bebas plasma. Mengubah jumlah elektron dan lubang bebas dalam material silikon dengan metode doping, listrik, atau optik dapat mengubah indeks bias kompleksnya, suatu proses yang ditunjukkan dalam persamaan (1,2) yang diperoleh dengan menyesuaikan data dari Soref dan Bennett pada panjang gelombang 1550 nanometer. Dibandingkan dengan elektron, lubang menyebabkan proporsi perubahan indeks bias riil dan imajiner yang lebih besar, yaitu, mereka dapat menghasilkan perubahan fase yang lebih besar untuk perubahan kerugian tertentu, sehingga dalamModulator Mach-Zehnderdan modulator cincin, biasanya lebih disukai menggunakan lubang untuk membuatmodulator fase.
Berbagai macammodulator silikon (Si)Jenis-jenisnya ditunjukkan pada Gambar 10A. Pada modulator injeksi pembawa, cahaya terletak di silikon intrinsik dalam sambungan pn yang sangat lebar, dan elektron serta lubang diinjeksikan. Namun, modulator semacam itu lebih lambat, biasanya dengan bandwidth 500 MHz, karena elektron dan lubang bebas membutuhkan waktu lebih lama untuk bergabung kembali setelah injeksi. Oleh karena itu, struktur ini sering digunakan sebagai attenuator optik variabel (VOA) daripada sebagai modulator. Pada 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, tetapi memiliki kerugian penyisipan latar belakang yang tinggi. Vpil tipikal adalah 2 V-cm. Modulator semikonduktor oksida logam (MOS) (sebenarnya semikonduktor-oksida-semikonduktor) mengandung lapisan oksida tipis dalam 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 kelemahan berupa kerugian optik yang lebih tinggi dan kapasitansi per satuan panjang yang lebih tinggi. Selain itu, terdapat modulator absorpsi listrik SiGe berdasarkan pergerakan tepi pita SiGe (paduan silikon germanium). Ada juga modulator graphene yang mengandalkan graphene untuk beralih antara logam penyerap dan isolator transparan. Ini menunjukkan keragaman aplikasi dari berbagai mekanisme untuk mencapai modulasi sinyal optik berkecepatan tinggi dan berkehilangan 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. Material penyerapnya adalah germanium (Ge). Ge mampu menyerap cahaya pada panjang gelombang hingga sekitar 1,6 mikron. Di sebelah kiri ditunjukkan struktur pin yang paling sukses secara komersial saat ini. Struktur ini terdiri dari silikon yang didoping tipe-P di mana Ge tumbuh. Ge dan Si memiliki ketidaksesuaian kisi 4%, dan untuk meminimalkan dislokasi, lapisan tipis SiGe pertama kali ditumbuhkan sebagai lapisan penyangga. Doping tipe-N dilakukan di atas lapisan Ge. Fotodioda metal-semikonduktor-metal (MSM) ditunjukkan di tengah, dan APD (Fotodetektor longsoran salju) ditunjukkan di sebelah kanan. Daerah longsoran di APD terletak di Si, yang memiliki karakteristik kebisingan lebih rendah dibandingkan dengan daerah longsoran di material unsur Grup III-V.
Saat ini, belum ada solusi dengan keunggulan yang jelas dalam mengintegrasikan penguatan optik dengan fotonik silikon. Gambar 11 menunjukkan beberapa opsi yang mungkin, diorganisasikan berdasarkan tingkat perakitan. Di paling kiri adalah integrasi monolitik yang mencakup penggunaan germanium (Ge) yang ditumbuhkan secara epitaksial sebagai material penguatan optik, pandu gelombang kaca yang didoping erbium (Er) (seperti Al2O3, yang membutuhkan pemompaan optik), dan titik kuantum galium arsenida (GaAs) yang ditumbuhkan secara epitaksial. Kolom berikutnya adalah perakitan wafer ke wafer, yang melibatkan ikatan oksida dan organik di wilayah penguatan kelompok III-V. Kolom selanjutnya adalah perakitan chip ke wafer, yang melibatkan penanaman chip kelompok III-V ke dalam rongga wafer silikon dan kemudian memproses struktur pandu gelombang. Keuntungan dari pendekatan tiga kolom pertama ini adalah perangkat dapat diuji fungsionalitasnya sepenuhnya di dalam wafer sebelum dipotong. Kolom paling kanan adalah perakitan chip-ke-chip, termasuk penyambungan langsung chip silikon ke chip grup III-V, serta penyambungan melalui lensa dan penggandeng kisi. Tren menuju aplikasi komersial bergerak dari sisi kanan ke sisi kiri grafik menuju solusi yang lebih terintegrasi dan terpadu.
Gambar 11: Bagaimana penguatan optik diintegrasikan ke dalam fotonik berbasis silikon. Saat Anda bergerak dari kiri ke kanan, titik penyisipan manufaktur secara bertahap bergeser ke belakang dalam prosesnya.
Waktu posting: 22 Juli 2024