عنصر نشط في مجال الفوتونيات السيليكونية

عنصر نشط في مجال الفوتونيات السيليكونية

تشير المكونات النشطة في مجال الفوتونيات تحديدًا إلى التفاعلات الديناميكية المصممة عمدًا بين الضوء والمادة. ومن المكونات النشطة النموذجية في الفوتونيات المُعدِّل البصري. جميع المكونات الحالية مصنوعة من السيليكون.المعدلات البصريةتعتمد هذه الطرق على تأثير حاملات الشحنة الحرة في البلازما. يمكن تغيير معامل الانكسار المركب لمادة السيليكون عن طريق التطعيم أو الطرق الكهربائية أو البصرية، وهي عملية موضحة في المعادلتين (1، 2) اللتين تم الحصول عليهما من خلال مطابقة بيانات سوريف وبينيت عند طول موجي 1550 نانومترًا. بالمقارنة مع الإلكترونات، تتسبب الفجوات في نسبة أكبر من التغيرات في الجزء الحقيقي والخيالي من معامل الانكسار، أي أنها قادرة على إحداث تغيير أكبر في الطور مقابل تغير معين في الفقد، وبالتالي فيمُعدِّلات ماخ-زيندروفي أجهزة تعديل الحلقات، يُفضل عادةً استخدام الثقوب لصنعهامُعدِّلات الطور.

مختلفمُعدِّل السيليكون (Si)تُظهر الصورة 10أ أنواع المُعدِّلات. في مُعدِّل حقن حاملات الشحنة، يقع الضوء في السيليكون النقي ضمن وصلة PIN عريضة جدًا، ويتم حقن الإلكترونات والفجوات. مع ذلك، فإن هذه المُعدِّلات أبطأ، حيث يبلغ عرض نطاقها عادةً 500 ميجاهرتز، لأن الإلكترونات والفجوات الحرة تستغرق وقتًا أطول لإعادة التركيب بعد الحقن. لذلك، يُستخدم هذا التركيب غالبًا كمُخفِّف ضوئي متغير (VOA) بدلًا من مُعدِّل. في مُعدِّل استنزاف حاملات الشحنة، يقع جزء الضوء في وصلة pn ضيقة، ويتغير عرض منطقة الاستنزاف في هذه الوصلة بتطبيق مجال كهربائي. يمكن لهذا المُعدِّل العمل بسرعات تتجاوز 50 جيجابت/ثانية، ولكنه يتميز بفقد إدخال خلفي عالٍ. يبلغ جهد النبضة النموذجي (vpil) 2 فولت-سم. يحتوي مُعدِّل أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOS) (أو بالأحرى أشباه الموصلات-الأكسيد-أشباه الموصلات) على طبقة أكسيد رقيقة في وصلة pn. يسمح هذا الأسلوب بتراكم بعض حاملات الشحنة واستنزافها، مما يُتيح جهدًا أقل (VπL) يبلغ حوالي 0.2 فولت-سم، ولكنه يعاني من عيب يتمثل في ارتفاع الفقد الضوئي وزيادة السعة لكل وحدة طول. إضافةً إلى ذلك، توجد مُعدِّلات امتصاص كهربائي من السيليكون والجرمانيوم تعتمد على حركة حافة نطاق الطاقة في سبيكة السيليكون والجرمانيوم. كما توجد مُعدِّلات من الجرافين تعتمد على الجرافين للتبديل بين المعادن الماصة والعوازل الشفافة. تُظهر هذه الأمثلة تنوع تطبيقات الآليات المختلفة لتحقيق تعديل إشارة ضوئية عالي السرعة ومنخفض الفقد.

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

يُظهر الشكل 10ب عدة كواشف ضوئية مصنوعة من السيليكون. المادة الماصة هي الجرمانيوم (Ge). يتميز الجرمانيوم بقدرته على امتصاص الضوء بأطوال موجية تصل إلى حوالي 1.6 ميكرون. يظهر على اليسار هيكل pin الأكثر نجاحًا تجاريًا اليوم. يتكون هذا الهيكل من سيليكون مطعّم من النوع P، ينمو عليه الجرمانيوم. يوجد عدم تطابق في الشبكة البلورية بين الجرمانيوم والسيليكون بنسبة 4%، ولتقليل الانخلاعات، تُنمى أولًا طبقة رقيقة من SiGe كطبقة عازلة. يُجرى تطعيم من النوع N على سطح طبقة الجرمانيوم. يظهر في المنتصف ثنائي ضوئي معدني-شبه موصل-معدني (MSM)، وثنائي ضوئي انهياري (APD).كاشف ضوئي للانهيارات الثلجيةيظهر الشكل على اليمين. تقع منطقة الانهيار في الصمام الثنائي الضوئي الانهياري في السيليكون، الذي يتميز بخصائص ضوضاء أقل مقارنة بمنطقة الانهيار في المواد العنصرية من المجموعة الثالثة إلى الخامسة.

لا توجد حاليًا حلول ذات مزايا واضحة في دمج الكسب البصري مع الفوتونيات السيليكونية. يوضح الشكل 11 عدة خيارات ممكنة مُصنفة حسب مستوى التجميع. في أقصى اليسار، نجد عمليات التكامل المتجانسة التي تشمل استخدام الجرمانيوم (Ge) المُنمّى طبقيًا كمادة كسب بصري، وموجهات زجاجية مُطعّمة بالإربيوم (Er) (مثل Al2O3، التي تتطلب ضخًا بصريًا)، ونقاط كمومية من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) المُنمّى طبقيًا. العمود التالي يُمثل تجميع الرقاقات، والذي يتضمن ربط الأكاسيد والمواد العضوية في منطقة كسب مجموعة III-V. العمود الذي يليه هو تجميع الرقاقة، والذي يتضمن تضمين رقاقة مجموعة III-V في تجويف رقاقة السيليكون ثم تشكيل بنية الموجه. تتمثل ميزة هذا النهج المكون من ثلاثة أعمدة في إمكانية اختبار الجهاز وظيفيًا بالكامل داخل الرقاقة قبل قطعها. يُمثل العمود الأيمن تجميع الرقائق، بما في ذلك التوصيل المباشر لرقائق السيليكون برقائق مجموعة III-V، بالإضافة إلى التوصيل عبر العدسات ومقرنات المحززات. ويتجه التوجه نحو التطبيقات التجارية من يمين الرسم البياني إلى يساره، نحو حلول أكثر تكاملاً وتكاملاً.

الشكل 11: كيفية دمج الكسب البصري في الفوتونيات القائمة على السيليكون. أثناء الانتقال من اليسار إلى اليمين، تتحرك نقطة إدخال التصنيع تدريجيًا إلى الخلف في العملية.