Élément actif photonique en silicium

Élément actif photonique en silicium

Les composants actifs photoniques désignent spécifiquement les interactions dynamiques intentionnelles entre la lumière et la matière. Un composant actif typique de la photonique est un modulateur optique. Tous les composants actuels à base de siliciummodulateurs optiquessont basées sur l'effet des porteurs libres du plasma. La modification du nombre d'électrons libres et de trous dans un matériau silicium par dopage, méthodes électriques ou optiques, peut modifier son indice de réfraction complexe. Ce processus est illustré par 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 sont responsables d'une plus grande proportion des variations réelles et imaginaires des indices de réfraction, c'est-à-dire qu'ils peuvent produire un changement de phase plus important pour une variation de perte donnée.Modulateurs Mach-Zehnderet les modulateurs en anneau, il est généralement préférable d'utiliser des trous pour réalisermodulateurs de phase.

Les différentsmodulateur en silicium (Si)Les types sont illustrés à la figure 10A. Dans un modulateur à injection de porteuses, la lumière est localisée dans le silicium intrinsèque, au sein d'une jonction pin très large, et des électrons et des trous sont injectés. Cependant, ces modulateurs sont plus lents, avec une bande passante généralement de 500 MHz, car les électrons et les trous libres 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 porteuses, la partie lumineuse est localisée dans une jonction pn étroite, et la largeur de déplétion de cette jonction pn est modifiée par l'application d'un champ électrique. Ce modulateur peut fonctionner à des vitesses supérieures à 50 Gbit/s, mais présente une perte d'insertion de fond élevée. La vpil typique est de 2 V-cm. Un modulateur métal-oxyde-semiconducteur (MOS) (en fait, semi-conducteur-oxyde-semiconducteur) contient une fine couche d'oxyde dans une jonction pn. Il permet une certaine accumulation et une certaine déplétion de porteurs, permettant une VπL plus faible d'environ 0,2 V-cm, mais présente l'inconvénient de pertes optiques et d'une capacité par unité de longueur plus élevées. De plus, il existe des modulateurs d'absorption électrique SiGe basés sur le mouvement de bord de bande SiGe (alliage silicium-germanium). De plus, il existe des modulateurs en graphène qui s'appuient sur le graphène pour commuter entre les métaux absorbants et les isolants transparents. Ces résultats démontrent la diversité des applications de différents mécanismes pour obtenir une modulation de signal optique à haut débit et à faibles pertes.

Figure 10 : (A) Diagramme en coupe transversale de diverses conceptions de modulateurs optiques à base de silicium et (B) diagramme en coupe transversale de conceptions de détecteurs optiques.

Plusieurs détecteurs de lumière à base de silicium sont présentés sur la figure 10B. Le matériau absorbant est le germanium (Ge). Le Ge est capable d'absorber la lumière à des longueurs d'onde allant jusqu'à environ 1,6 micron. À gauche, on voit la structure pin la plus performante commercialement aujourd'hui. Elle est composée de silicium dopé de type P sur lequel croît du Ge. Le Ge et le Si présentent un désaccord de maille de 4 % ; afin de minimiser la dislocation, une fine couche de SiGe est d'abord déposée comme couche tampon. Un dopage de type N est appliqué sur la couche de Ge. Une photodiode métal-semiconducteur-métal (MSM) est représentée au centre, ainsi qu'un APD (photodétecteur d'avalanche) est illustré à droite. La région d'avalanche dans l'APD est située dans le Si, qui présente 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'existe aucune solution présentant des avantages évidents pour l'intégration du gain optique à la photonique sur silicium. La figure 11 présente plusieurs options possibles, classées par niveau d'assemblage. À l'extrême gauche se trouvent des intégrations monolithiques incluant l'utilisation de germanium (Ge) épitaxié 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 de boîtes quantiques en arséniure de gallium (GaAs) épitaxiées. La colonne suivante concerne l'assemblage plaquette à plaquette, impliquant des liaisons oxyde et organique dans la région de gain du groupe III-V. La colonne suivante concerne l'assemblage puce à plaquette, qui implique l'intégration de la puce du groupe III-V dans la cavité de la plaquette de silicium, puis l'usinage de la structure du guide d'ondes. L'avantage de cette première approche à trois colonnes est que le dispositif peut être entièrement testé fonctionnellement à l'intérieur de la plaquette avant sa découpe. La colonne la plus à droite présente l'assemblage puce à puce, incluant le couplage direct des puces silicium aux puces du groupe III-V, ainsi que le couplage via des coupleurs à lentilles et à réseaux. La tendance vers les applications commerciales se déplace de la droite vers la gauche du graphique, vers des solutions plus intégrées.

Figure 11 : Intégration du gain optique dans la photonique sur silicium. De gauche à droite, le point d'insertion de fabrication recule progressivement dans le processus.