Elément actif photonique au silicium
Les composants actifs photoniques font spécifiquement référence à des interactions dynamiques intentionnellement conçues entre la lumière et la matière. Un composant actif typique de la photonique est un modulateur optique. Tous les produits actuels à base de siliciummodulateurs optiquessont basés sur l’effet de porteur libre du plasma. La modification du nombre d'électrons libres et de trous dans un matériau de silicium par des méthodes de dopage, électriques ou optiques peut modifier son indice de réfraction complexe, un processus illustré dans les équations (1,2) obtenues en ajustant les données de Soref et Bennett à une longueur d'onde de 1 550 nanomètres. . Comparés aux électrons, les trous provoquent une plus grande proportion de 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 dansModulateurs Mach-Zehnderet les modulateurs en anneau, il est généralement préférable d'utiliser des trous pour réalisermodulateurs de phase.
Les diversmodulateur en silicium (Si)les types sont illustrés sur la figure 10A. Dans un modulateur à injection de porteurs, la lumière est localisée dans le silicium intrinsèque au sein d'une jonction à broches très large, et des électrons et des trous sont injectés. Cependant, ces modulateurs sont plus lents, généralement avec une bande passante de 500 MHz, car les électrons libres et les trous mettent plus de temps à se recombiner après injection. Par conséquent, cette structure est souvent utilisée comme atténuateur optique variable (VOA) plutôt que comme modulateur. Dans un modulateur à déplétion de porteurs, la partie lumineuse est située dans une jonction pn étroite, et la largeur d'appauvrissement de la jonction pn est modifiée par un champ électrique appliqué. Ce modulateur peut fonctionner à des vitesses supérieures à 50 Gb/s, mais présente une perte d'insertion de fond élevée. Le vpil typique est de 2 V-cm. Un modulateur à semi-conducteur à oxyde métallique (MOS) (en fait semi-conducteur-oxyde-semi-conducteur) contient une fine couche d'oxyde dans une jonction pn. Il permet une certaine accumulation de porteurs ainsi qu'un épuisement de porteurs, permettant un VπL plus petit d'environ 0,2 V-cm, mais présente l'inconvénient de pertes optiques plus élevées et d'une capacité par unité de longueur plus élevée. De plus, il existe des modulateurs d'absorption électrique SiGe basés sur le mouvement des bords de bande SiGe (alliage de silicium-germanium). De plus, il existe des modulateurs de graphène qui s'appuient sur le graphène pour basculer entre les métaux absorbants et les isolants 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 de diverses conceptions de modulateurs optiques à base de silicium et (B) Diagramme en coupe des conceptions de détecteurs optiques.
Plusieurs détecteurs de lumière à base de silicium sont illustrés sur la figure 10B. Le matériau absorbant est le germanium (Ge). Ge est capable d’absorber la lumière à des longueurs d’onde allant jusqu’à environ 1,6 microns. À gauche se trouve la structure de broches la plus réussie commercialement à l’heure actuelle. Il est composé de silicium dopé de type P sur lequel pousse Ge. Ge et Si présentent un décalage de réseau de 4 % et afin de minimiser la dislocation, une fine couche de SiGe est d'abord cultivée comme couche tampon. Un dopage de type N est effectué au sommet de la couche de Ge. Une photodiode métal-semi-conducteur-métal (MSM) est représentée au milieu, et un APD (Photodétecteur d'avalanche) est affiché à droite. La région d'avalanche dans l'APD est située dans Si, qui présente des caractéristiques de bruit inférieures à celles des matériaux élémentaires du groupe III-V.
À l’heure actuelle, il n’existe aucune solution présentant des avantages évidents pour intégrer le gain optique à la photonique sur 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 de germanium (Ge) cultivé par épitaxie comme matériau de gain optique, de guides d'ondes en verre dopés à l'erbium (Er) (tels que Al2O3, qui nécessite un pompage optique) et d'arséniure de gallium cultivé par épitaxie (GaAs). ) points quantiques. La colonne suivante est l'assemblage de tranche à tranche, impliquant des liaisons oxyde et organique dans la région de gain du groupe III-V. La colonne suivante est l'assemblage puce-plaquette, qui consiste à intégrer la puce du groupe III-V dans la cavité de la plaquette de silicium, puis à usiner la structure du guide d'ondes. L’avantage de cette première approche à trois colonnes est que le dispositif peut être entièrement testé fonctionnel à l’intérieur de la tranche avant sa découpe. La colonne la plus à droite est l'assemblage puce à puce, comprenant le couplage direct des puces de silicium aux puces du groupe III-V, ainsi que le couplage via des coupleurs de lentilles et de réseaux. La tendance vers les applications commerciales se déplace de la droite vers la gauche du graphique vers des solutions plus intégrées et intégrées.
Figure 11 : Comment le gain optique est intégré dans la photonique à base de silicium. À mesure que vous vous déplacez de gauche à droite, le point d'insertion de fabrication recule progressivement dans le processus.
Heure de publication : 22 juillet 2024