Élément actif photonique en silicium
Les composants actifs photoniques se réfèrent spécifiquement aux interactions dynamiques conçues intentionnellement entre la lumière et la matière. Un composant actif typique de la photonique est un modulateur optique. Tous les actuels en siliciummodulateurs optiquessont basés sur l'effet de transport sans plasma. Changer le nombre d'électrons libres et de trous dans un matériau de silicium en dopage, des méthodes électriques ou optiques peut modifier son indice de réfraction complexe, un processus indiqué dans les équations (1,2) obtenues en ajustant les données de Soref et Bennett à une longueur d'onde de 1550 nanomètres. Par rapport aux électrons, les trous provoquent une plus grande proportion des changements d'indice de réfraction réels et imaginaires, c'est-à-dire qu'ils peuvent produire un changement de phase plus important pour un changement de perte donné, donc enModulateurs Mach-Zehderet les modulateurs d'anneau, il est généralement préféré utiliser des trous pour fairemodulateurs de phase.
Les diversmodulateur en silicium (Si)Les types sont illustrés à la figure 10A. Dans un modulateur d'injection de support, la lumière est située dans le silicium intrinsèque dans une jonction à broches très large, et les électrons et les trous sont injectés. Cependant, ces modulateurs sont plus lents, généralement avec une bande passante de 500 MHz, car les électrons et les trous libres prennent plus de temps à recombiner après l'injection. Par conséquent, cette structure est souvent utilisée comme atténuatrice optique variable (VOA) plutôt que comme modulateur. Dans un modulateur d'épuisement de porte-avions, la partie lumineuse est située dans une jonction PN étroite, et la largeur de déplétion de la jonction PN est modifiée par un champ électrique appliqué. Ce modulateur peut fonctionner à des vitesses supérieures à 50 Go / s, mais a une perte d'insertion de fond élevée. Le VPIL typique est de 2 V-CM. Un modulateur de semi-conducteur en oxyde métallique (MOS) (en fait semi-conducteur-oxyde-semi-conducteur) contient une couche d'oxyde mince dans une jonction PN. Il permet une certaine accumulation de porteuse ainsi que l'épuisement des porteurs, permettant un Vπl plus petit d'environ 0,2 V-CM, mais présente l'inconvénient de pertes optiques plus élevées et de capacité plus élevée par unité de longueur. De plus, il existe des modulateurs d'absorption électrique SIGE basés sur le mouvement des bords de la bande SIGE (alliage de Silicon Germanium). De plus, il existe des modulateurs de graphène qui reposent sur le graphène pour basculer entre l'absorption des métaux et les isolateurs transparents. Ceux-ci démontrent la diversité des applications de différents mécanismes pour obtenir une modulation de signal optique à grande vitesse et à faible perte.
Figure 10: (a) Diagramme en coupe transversale de divers conceptions de modulateur optique à base de silicium et (b) diagramme en coupe transversale des conceptions de détecteur optique.
Plusieurs détecteurs de lumière à base de silicium sont illustrés à la figure 10b. Le matériau absorbant est le germanium (GE). GE est capable d'absorber la lumière aux longueurs d'onde jusqu'à environ 1,6 microns. La structure de broches la plus réussie est montrée à gauche. Il est composé de silicium dopé de type p sur lequel GE se développe. GE et SI ont un décalage de réseau à 4%, et afin de minimiser la dislocation, une fine couche de sige est cultivée comme une couche tampon. Le dopage de type N est effectué sur le dessus de la couche GE. Une photodiode métal-sémiconducteur-métal (MSM) est indiqué au milieu et un APD (photodétecteur d'avalanche) est indiqué à droite. La région d'avalanche dans APD est située dans SI, qui a des caractéristiques de bruit plus faibles par rapport à la région d'avalanche dans les matériaux élémentaires du groupe III-V.
À l'heure actuelle, il n'y a pas de solutions avec des avantages évidents dans l'intégration du gain optique avec la photonique de silicium. La figure 11 montre plusieurs options possibles organisées par niveau d'assemblage. À l'extrême gauche se trouvent des intégrations monolithiques qui incluent l'utilisation du germanium (GE) cultivé épitaxial comme matériau de gain optique, de guides d'ondes en verre dopé à l'erbium (ER) (tels que AL2O3, qui nécessite un pompage optique) et des points quantiques de gallium cultivés épitaxiales (GAAS). La colonne suivante est la tranche à assemblage à la plaquette, impliquant l'oxyde et la liaison organique dans la région de gain de groupe III-V. La colonne suivante est l'assemblage de puce-to-wafer, qui consiste à intégrer la puce du groupe III-V dans la cavité de la tranche de silicium, puis à usiner la structure du guide d'onde. L'avantage de cette première approche de trois colonnes est que l'appareil peut être entièrement testé à l'intérieur de la tranche avant de couper. La colonne la plus à droite est l'assemblage de puce à puce, y compris le couplage direct des puces de silicium vers les puces de groupe III-V, ainsi que le couplage via l'objectif et les coupleurs de réseau. La tendance vers les applications commerciales se déplace de la droite vers le côté gauche du tableau vers des solutions plus intégrées et intégrées.
Figure 11: Comment le gain optique est intégré dans la photonique à base de silicium. Lorsque vous vous déplacez de gauche à droite, le point d'insertion de fabrication remonte progressivement dans le processus.
Heure du poste: juil-22-2024