عنصر نشط في فوتونيات السيليكون

عنصر نشط في فوتونيات السيليكون

تشير المكونات النشطة للفوتونيات تحديدًا إلى التفاعلات الديناميكية المُصممة عمدًا بين الضوء والمادة. ومن المكونات النشطة النموذجية للفوتونيات مُعدّل ضوئي. جميع المواد الحالية القائمة على السيليكونالمعدلات البصريةتعتمد على تأثير الناقل الحر للبلازما. يمكن لتغيير عدد الإلكترونات الحرة والفجوات في مادة السيليكون، سواءً بالتطعيم أو بالطرق الكهربائية أو البصرية، أن يغير معامل الانكسار المعقد، وهي عملية موضحة في المعادلتين (1،2) تم الحصول عليها من خلال مطابقة بيانات من سوريف وبينيت عند طول موجي 1550 نانومتر. بالمقارنة مع الإلكترونات، تُسبب الفجوات نسبة أكبر من تغيرات معامل الانكسار الحقيقي والتخيلي، أي أنها يمكن أن تُحدث تغيرًا طوريًا أكبر عند تغير خسارة معين، لذلك فيمعدِّلات ماخ-زيندرومعدلات الحلقات، فمن المفضل عادة استخدام الثقوب لصنعمُعدّلات الطور.

مختلفمعدِّل السيليكون (Si)تظهر الأنواع في الشكل 10أ. في مُعدّل حقن الناقل، يوجد الضوء في السيليكون الداخلي داخل وصلة دبوسية واسعة جدًا، ويتم حقن الإلكترونات والثقوب. ومع ذلك، تكون هذه المُعدّلات أبطأ، وعادةً ما يكون عرض نطاقها 500 ميجاهرتز، لأن الإلكترونات الحرة والثقوب تستغرق وقتًا أطول لإعادة الاتحاد بعد الحقن. لذلك، غالبًا ما يُستخدم هذا الهيكل كمُوهِّن بصري متغير (VOA) بدلاً من مُعدّل. في مُعدّل استنفاد الناقل، يوجد جزء الضوء في وصلة pn ضيقة، ويتغير عرض استنفاد وصلة pn بواسطة مجال كهربائي مُطبّق. يمكن لهذا المُعدّل أن يعمل بسرعات تزيد عن 50 جيجابت/ثانية، ولكنه يتميز بفقدان إدخال خلفي كبير. يبلغ vpil النموذجي 2 فولت-سم. يحتوي مُعدّل أشباه الموصلات من أكسيد المعدن (MOS) (في الواقع أشباه الموصلات - أكسيد - أشباه الموصلات) على طبقة أكسيد رقيقة في وصلة pn. يسمح هذا النظام بتراكم بعض الموجات الحاملة واستنفادها، مما يسمح بـ VπL أصغر يبلغ حوالي 0.2 فولت-سم، إلا أنه يعاني من عيب يتمثل في ارتفاع الخسائر الضوئية وزيادة السعة لكل وحدة طول. بالإضافة إلى ذلك، توجد مُعدّلات امتصاص كهربائي من SiGe تعتمد على حركة حافة نطاق SiGe (سبائك السيليكون الجرمانيوم). كما توجد مُعدّلات جرافين تعتمد على الجرافين للتبديل بين المعادن الماصة والعوازل الشفافة. تُظهر هذه المُعدّلات تنوع تطبيقات الآليات المختلفة لتحقيق تعديل إشارة ضوئية عالي السرعة ومنخفض الخسارة.

الشكل 10: (أ) مخطط مقطعي لتصاميم مختلفة للمعدِّل البصري القائم على السيليكون و(ب) مخطط مقطعي لتصاميم الكاشف البصري.

يظهر في الشكل 10ب العديد من كواشف الضوء المصنوعة من السيليكون. مادة الامتصاص هي الجرمانيوم (Ge). يستطيع الجرمانيوم امتصاص الضوء بأطوال موجية تصل إلى حوالي 1.6 ميكرون. يظهر على اليسار هيكل الدبوس الأكثر نجاحًا تجاريًا اليوم. يتكون من سيليكون مُشَوَّب من النوع P ينمو عليه الجرمانيوم. يتميز الجرمانيوم والسيليكون بعدم تطابق شبكي بنسبة 4%، ولتقليل الخلع، تُزرع طبقة رقيقة من السيليكون والسيليكون كطبقة عازلة. تُجرى عملية التشويب من النوع N على سطح الجرمانيوم. يظهر في المنتصف ثنائي ضوئي معدني شبه موصل معدني (MSM)، وAPD (كاشف ضوئي للانهيارات الجليدية) يظهر على اليمين. تقع منطقة الانهيار في APD في السيليكون، الذي يتميز بخصائص ضوضاء أقل مقارنةً بمنطقة الانهيار في المواد الأولية من المجموعة الثالثة إلى الخامسة.

في الوقت الحالي، لا توجد حلول ذات مزايا واضحة في دمج الكسب البصري مع فوتونيات السيليكون. يوضح الشكل 11 عدة خيارات ممكنة مرتبة حسب مستوى التجميع. في أقصى اليسار توجد تكاملات متجانسة تتضمن استخدام الجرمانيوم (Ge) المزروع فوقيًا كمادة كسب بصري، وموجهات موجية زجاجية مشبعة بالإربيوم (Er) (مثل Al2O3، الذي يتطلب ضخًا بصريًا)، ونقاط كمية من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) المزروع فوقيًا. العمود التالي هو تجميع رقاقة إلى رقاقة، والذي يتضمن أكسيدًا ورابطًا عضويًا في منطقة كسب المجموعة III-V. العمود التالي هو تجميع رقاقة إلى رقاقة، والذي يتضمن تضمين رقاقة المجموعة III-V في تجويف رقاقة السيليكون ثم تشغيل هيكل الموجه الموجي. ميزة هذا النهج المكون من ثلاثة أعمدة أولية هي أنه يمكن اختبار الجهاز بكامل وظائفه داخل الرقاقة قبل القطع. العمود الأيمن هو تجميع الشريحة إلى شريحة، بما في ذلك التوصيل المباشر لشرائح السيليكون بشرائح المجموعة III-V، بالإضافة إلى التوصيل عبر عدسات وموصلات شبكية. يتجه التوجه نحو التطبيقات التجارية من يمين الرسم البياني إلى يساره نحو حلول أكثر تكاملاً.

الشكل ١١: كيفية دمج الكسب البصري في الفوتونيات القائمة على السيليكون. عند التحرك من اليسار إلى اليمين، تعود نقطة إدخال التصنيع تدريجيًا إلى الخلف خلال العملية.