Piifotoniikan aktiivinen elementti

Piifotoniikan aktiivinen elementti

Fotoniikan aktiiviset komponentit viittaavat erityisesti tarkoituksella suunniteltuun dynaamiseen vuorovaikutukseen valon ja aineen välillä. Tyypillinen fotoniikan aktiivinen komponentti on optinen modulaattori. Kaikki nykyiset silikonipohjaisetoptiset modulaattoritperustuvat plasmavapaaseen kantajavaikutukseen. Vapaiden elektronien ja reikien lukumäärän muuttaminen piimateriaalissa dopingilla, sähköisillä tai optisilla menetelmillä voi muuttaa sen monimutkaista taitekerrointa, mikä on esitetty yhtälöissä (1,2), joka saadaan sovittamalla Sorefin ja Bennettin tiedot aallonpituudella 1550 nanometriä. . Elektroneihin verrattuna reiät aiheuttavat suuremman osan todellisista ja kuvitteellisista taitekertoimen muutoksista, eli ne voivat tuottaa suuremman vaihemuutoksen tietyllä häviömuutoksella, jotenMach-Zehnder modulaattoritja rengasmodulaattoreita, on yleensä edullista käyttää reikiävaihemodulaattorit.

Erilaisiapii (Si) modulaattorityypit on esitetty kuvassa 10A. Kantoaaltoinjektiomodulaattorissa valo sijaitsee sisäisessä piissä erittäin leveässä nastaliitoksessa, ja elektroneja ja reikiä injektoidaan. Tällaiset modulaattorit ovat kuitenkin hitaampia, tyypillisesti 500 MHz:n kaistanleveydellä, koska vapaiden elektronien ja reikien yhdistäminen injektion jälkeen kestää kauemmin. Siksi tätä rakennetta käytetään usein muuttuvana optisena vaimentimena (VOA) modulaattorin sijaan. Kantoaallon ehtymisen modulaattorissa valoosa sijaitsee kapeassa pn-liitoksessa, ja pn-liitoksen tyhjenemisleveyttä muuttaa kohdistettu sähkökenttä. Tämä modulaattori voi toimia yli 50 Gb/s nopeuksilla, mutta sillä on suuri taustan lisäyshäviö. Tyypillinen vpil on 2 V-cm. Metallioksidipuolijohde (MOS) (itse asiassa puolijohde-oksidi-puolijohde) -modulaattori sisältää ohuen oksidikerroksen pn-liitoksessa. Se mahdollistaa jonkin verran kantoaallon kertymistä sekä kantoaallon ehtymistä, mikä mahdollistaa pienemmän VπL:n noin 0,2 V-cm, mutta sen haittapuolena on korkeammat optiset häviöt ja suurempi kapasitanssi pituusyksikköä kohti. Lisäksi on olemassa SiGe-sähköabsorptiomodulaattoreita, jotka perustuvat SiGe (pii-germanium-seos) nauhareunojen liikkeeseen. Lisäksi on grafeenimodulaattoreita, jotka luottavat grafeeniin vaihtaakseen absorboivien metallien ja läpinäkyvien eristeiden välillä. Nämä osoittavat erilaisten mekanismien sovellusten monimuotoisuuden saavuttaa nopea, pienihäviöinen optinen signaalimodulaatio.

Kuva 10: (A) Poikkileikkauskaavio erilaisista piipohjaisista optisista modulaattoreista ja (B) poikkileikkauskaavio optisista ilmaisimista.

Kuvassa 10B on esitetty useita piipohjaisia ​​valoilmaisimia. Imukykyinen materiaali on germanium (Ge). Ge pystyy absorboimaan valoa noin 1,6 mikronin aallonpituuksilla. Vasemmalla on tämän päivän kaupallisesti menestynein pin-rakenne. Se koostuu P-tyypin seostetusta piistä, jolla Ge kasvaa. Ge:llä ja Si:llä on 4 % ristikon yhteensopimattomuus, ja dislokaatioiden minimoimiseksi kasvatetaan ensin ohut kerros SiGe:tä puskurikerroksena. N-tyypin doping suoritetaan Ge-kerroksen päällä. Keskellä näkyy metalli-puolijohde-metalli (MSM) -valodiodi ja APD (lumivyöry Valodetektori) näkyy oikealla. APD:n lumivyöryalue sijaitsee Si:ssä, jolla on alhaisemmat meluominaisuudet kuin ryhmän III-V alkuainemateriaalien lumivyöryalue.

Tällä hetkellä ei ole olemassa ratkaisuja, joilla olisi ilmeisiä etuja optisen vahvistuksen integroinnissa piifotoniikkaan. Kuva 11 esittää useita mahdollisia vaihtoehtoja kokoonpanotason mukaan järjestettyinä. Äärimmäisenä vasemmalla ovat monoliittiset integraatiot, jotka sisältävät epitaksiaalisesti kasvatetun germaniumin (Ge) käytön optisena vahvistuksena, erbium-seostettuja (Er) lasiaaltoputkia (kuten Al2O3, joka vaatii optista pumppausta) ja epitaksiaalisesti kasvatetun galliumarsenidin (GaAs) ) kvanttipisteitä. Seuraava sarake on kiekon ja kiekon välinen kokoonpano, joka sisältää oksidin ja orgaanisen sidoksen III-V-ryhmän vahvistusalueella. Seuraava sarake on siru-kiekkoon kokoonpano, jossa III-V-ryhmän siru upotetaan piikiekon onteloon ja sen jälkeen työstetään aaltoputkirakenne. Tämän kolmen ensimmäisen kolonnin etuna on, että laite voidaan testata täysin toimintakuntoisena kiekon sisällä ennen leikkaamista. Oikeanpuoleisin pylväs on siru-siru-kokoonpano, mukaan lukien piisirujen suora kytkentä III-V-ryhmän siruihin sekä kytkentä linssin ja ritiläliittimien kautta. Suuntaus kaupallisiin sovelluksiin on siirtymässä kaavion oikealta vasemmalle kohti integroituneempia ja integroituneempia ratkaisuja.

Kuva 11: Kuinka optinen vahvistus integroidaan piipohjaiseen fotoniikkaan. Kun siirryt vasemmalta oikealle, valmistuksen lisäyskohta siirtyy vähitellen takaisin prosessissa.