العنصر النشط السيليكون الفوتونيات

العنصر النشط السيليكون الفوتونيات

تشير المكونات النشطة الضوئية خصيصًا إلى التفاعلات الديناميكية المصممة عن قصد بين الضوء والمادة. المكون النشط النشط من الضوئيات هو المغير البصري. جميع السيليكون الحاليالمعدلات البصريةتستند إلى تأثير الناقل الخالي من البلازما. يمكن أن يؤدي تغيير عدد الإلكترونات والثقوب المجانية في مادة السيليكون عن طريق تعاطي المنشطات ، والطرق الكهربائية أو البصرية ، إلى تغيير مؤشر الانكسار المعقد ، وهي عملية موضحة في المعادلات (1،2) التي تم الحصول عليها عن طريق تركيب البيانات من Soref و Bennett على طول موجة قدرها 1550 نانومتر. بالمقارنة مع الإلكترونات ، تسبب الثقوب نسبة أكبر من تغييرات مؤشر الانكسار الحقيقية والخيالية ، أي أنها يمكن أن تنتج تغييرًا أكبر في الطور لتغيير خسارة معين ، لذلك فيMach-Zehnder Modulatorsومعدلات الحلقة ، عادة ما يفضل استخدام الثقوب لصنعهامرحلة المعدلات.

مختلفالسيليكون (SI) المغيروتظهر الأنواع في الشكل 10 أ. في مغير حقن الناقل ، يقع الضوء في السيليكون الجوهري داخل تقاطع عريض للغاية ، ويتم حقن الإلكترونات والثقوب. ومع ذلك ، فإن هذه المعدلات أبطأ ، عادةً مع عرض النطاق الترددي 500 ميجاهرتز ، لأن الإلكترونات والثقوب الحرة تستغرق وقتًا أطول لإعادة التجميع بعد الحقن. لذلك ، غالبًا ما يتم استخدام هذا الهيكل كتوهين ضوئي متغير (VOA) بدلاً من المغير. في مُعدِّل استنزاف الناقل ، يقع جزء الضوء في تقاطع PN ضيق ، ويتم تغيير عرض استنزاف تقاطع PN بواسطة حقل كهربائي مطبق. يمكن أن يعمل هذا المغير بسرعات تتجاوز 50 جيجابايت/ثانية ، ولكن لديه فقدان إدخال خلفية عالية. VPIL النموذجي هو 2 V-CM. يحتوي أشباه الموصلات أكسيد المعادن (MOS) (في الواقع على أشباه أشباه الموصلات-أكسيد الأكسيد) على طبقة أكسيد رقيقة في تقاطع PN. يسمح ببعض تراكم الناقل وكذلك استنزاف الناقل ، مما يتيح VπL أصغر بحوالي 0.2 V-CM ، ولكن لديه عيب الخسائر البصرية أعلى وارتفاع السعة لكل وحدة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك معدلات الامتصاص الكهربائية SIGE تعتمد على حركة حافة سبيكة SIGE (السيليكون الجرمانيوم). بالإضافة إلى ذلك ، هناك معدلات الجرافين تعتمد على الجرافين للتبديل بين امتصاص المعادن والعوازل الشفافة. هذه توضح تنوع تطبيقات الآليات المختلفة لتحقيق تعديل الإشارة البصرية عالية السرعة والخطأ.

الشكل 10: (أ) رسم تخطيطي مستعرض لمختلف تصميمات المغير البصري القائم على السيليكون و (ب) الرسم البياني المستعرض لتصميم الكاشف البصري.

تظهر العديد من كاشفات الضوء المستندة إلى السيليكون في الشكل 10 ب. المادة امتصاص هي الجرمانيوم (GE). GE قادرة على امتصاص الضوء بأطوال موجية وصولاً إلى حوالي 1.6 ميكرون. يظهر على اليسار هو بنية الدبوس الأكثر نجاحًا تجاريًا اليوم. وهي تتألف من السيليكون المخدر من نوع P الذي تنمو عليه GE. لدى GE و SI عدم تطابق شعرية بنسبة 4 ٪ ، ومن أجل تقليل الخلع ، يتم زراعة طبقة رقيقة من Sige لأول مرة كطبقة عازلة. يتم تنفيذ المنشطات من النوع N في الجزء العلوي من طبقة GE. يظهر ثنائيات ضوئية للمعادن المعدنية للمعادن المعدنية (MSM) في الوسط ، و APD (Avalanche PhotoDetector) يظهر على اليمين. تقع منطقة Avalanche في APD في SI ، والتي لها خصائص ضوضاء أقل مقارنة بمنطقة الانهيار في المجموعة II-V عنصرية.

في الوقت الحاضر ، لا توجد حلول ذات مزايا واضحة في دمج المكاسب البصرية مع الضوئية السيليكون. يوضح الشكل 11 العديد من الخيارات الممكنة التي تنظمها مستوى التجميع. على أقصى اليسار ، توجد تكاملات متجانسة تتضمن استخدام الجرمانيوم المزروع بحلبيًا (GE) كمواد كسب بصرية ، ومدخل الموجات الزجاجية (ER) ذات الأربعة (مثل AL2O3 ، والتي تتطلب ضخ ضخات بصرية) ، وبقع كمية كمية من غاليوم غاليوم (GAAS). العمود التالي هو رقاقة تجميع الرقاقة ، والتي تشمل الأكسيد والترابط العضوي في منطقة كسب المجموعة الثالثة V. العمود التالي هو مجموعة رقائق إلى مقلد ، والتي تتضمن تضمين رقاقة مجموعة III-V في تجويف رقاقة السيليكون ثم تصنيع بنية الدليل الموجي. ميزة نهج العمود الثلاثة الأول هذا هو أن الجهاز يمكن اختباره بكامل طاقته داخل الرقاقة قبل القطع. العمود الأكثر يمينًا هو مجموعة من رقائق الرقائق ، بما في ذلك الاقتران المباشر لبطاطا السيليكون إلى رقائق المجموعة III-V ، وكذلك الاقتران عبر العدسة وقارنات الصريف. ينتقل الاتجاه نحو التطبيقات التجارية من اليمين إلى الجانب الأيسر من الرسم البياني نحو حلول أكثر تكاملاً وتكاملاً.

الشكل 11: كيف يتم دمج المكاسب البصرية في الضوئية القائمة على السيليكون. أثناء انتقالك من اليسار إلى اليمين ، تتحرك نقطة الإدراج التصنيع تدريجياً في هذه العملية.