Elemen aktif fotonik silikon

Elemen aktif fotonik silikon

Komponen aktif fotonik merujuk secara spesifik 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 material silikon dengan metode doping, listrik, atau optik dapat mengubah indeks bias kompleksnya, sebuah 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 rugi 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. Dalam modulator injeksi pembawa, cahaya ditempatkan di silikon intrinsik dalam sambungan pin yang sangat lebar, dan elektron serta lubang diinjeksikan. Namun, modulator semacam itu 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 atenuasi optik variabel (VOA) daripada modulator. Dalam modulator deplesi pembawa, bagian cahaya ditempatkan di sambungan pn yang sempit, dan lebar deplesi sambungan pn diubah oleh medan listrik yang diberikan. Modulator ini dapat beroperasi pada kecepatan lebih dari 50 Gb/s, tetapi memiliki rugi 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 akumulasi dan penipisan pembawa muatan, sehingga menghasilkan VπL yang lebih kecil, yaitu sekitar 0,2 V-cm, tetapi memiliki kelemahan berupa rugi-rugi optik yang lebih tinggi dan kapasitansi per satuan panjang yang lebih tinggi. Selain itu, terdapat modulator penyerapan listrik SiGe yang berbasis pada pergerakan tepi pita SiGe (paduan silikon Germanium). Selain itu, terdapat 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 rugi-rugi 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. Gambar di sebelah kiri menunjukkan struktur pin yang paling sukses secara komersial saat ini. Struktur ini terdiri 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 atas lapisan Ge. Sebuah fotodioda logam-semikonduktor-logam (MSM) ditunjukkan di tengah, dan sebuah APD (Fotodetektor longsor) ditampilkan di sebelah kanan. Daerah longsoran pada APD terletak pada Si, yang memiliki karakteristik kebisingan lebih rendah dibandingkan dengan daerah longsoran pada material unsur Golongan 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, disusun 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 terdoping erbium (Er) (seperti Al2O3, yang memerlukan 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 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 pandu gelombang. Keuntungan dari pendekatan tiga kolom pertama ini adalah perangkat dapat diuji fungsionalitasnya secara penuh di dalam wafer sebelum dipotong. Kolom paling kanan adalah perakitan chip-to-chip, termasuk penggabungan langsung chip silikon ke chip grup III-V, serta penggabungan melalui lensa dan grating coupler. Tren aplikasi komersial bergeser dari sisi kanan ke sisi kiri grafik, menuju solusi yang lebih terintegrasi.

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