العنصر النشط لفوتونيات السيليكون

العنصر النشط لفوتونيات السيليكون

تشير المكونات النشطة للضوئيات على وجه التحديد إلى التفاعلات الديناميكية المصممة عن عمد بين الضوء والمادة. العنصر النشط النموذجي للضوئيات هو المغير البصري. جميع القائمة على السيليكون الحاليةالمغيرون البصريةتعتمد على تأثير الناقل الحر للبلازما. إن تغيير عدد الإلكترونات الحرة والثقوب في مادة السيليكون عن طريق التطعيم أو الطرق الكهربائية أو الضوئية يمكن أن يغير معامل انكسارها المعقد، وهي عملية موضحة في المعادلات (1،2) التي تم الحصول عليها من خلال تركيب بيانات من سوريف وبينيت عند طول موجي 1550 نانومتر. . بالمقارنة مع الإلكترونات، تسبب الثقوب نسبة أكبر من تغيرات معامل الانكسار الحقيقي والتخيلي، أي أنها يمكن أن تنتج تغيرًا أكبر في الطور لتغير فقدان معين، لذلك فيمُعدِّلات ماخ زيندروالمغيرات الحلقية، يفضل عادة استخدام الثقوب لصنعهاجهري المرحلة.

المختلفةالمغير السيليكون (Si).وتظهر الأنواع في الشكل 10A. في مُعدِّل الحقن الحامل، يوجد الضوء في السيليكون الداخلي داخل وصلة دبوس واسعة جدًا، ويتم حقن الإلكترونات والثقوب. ومع ذلك، فإن هذه المعدِّلات تكون أبطأ، وعادةً ما يكون عرض نطاقها 500 ميجاهرتز، لأن الإلكترونات الحرة والثقوب تستغرق وقتًا أطول لإعادة الاتحاد بعد الحقن. ولذلك، غالبًا ما يستخدم هذا الهيكل كمخفف بصري متغير (VOA) بدلاً من المغير. في مُعدِّل استنفاد الموجة الحاملة، يقع الجزء الخفيف في تقاطع pn ضيق، ويتم تغيير عرض استنفاد الوصلة pn بواسطة مجال كهربائي مطبق. يمكن أن يعمل هذا المغير بسرعات تزيد عن 50 جيجابت/ثانية، ولكنه يعاني من خسارة عالية في إدخال الخلفية. vpil النموذجي هو 2 فولت سم. يحتوي مُعدِّل أشباه الموصلات بأكسيد الفلز (MOS) (في الواقع شبه موصل وأكسيد وأشباه الموصلات) على طبقة أكسيد رقيقة في تقاطع pn. إنها تسمح بتراكم بعض الموجات الحاملة بالإضافة إلى استنفاد الناقل، مما يسمح بـ VπL أصغر يبلغ حوالي 0.2 فولت سم، ولكن له عيب فقدان بصري أعلى وسعة أعلى لكل وحدة طول. بالإضافة إلى ذلك، هناك مُعدِّلات امتصاص كهربائي SiGe تعتمد على حركة حافة النطاق SiGe (سبائك السيليكون الجرمانيوم). بالإضافة إلى ذلك، هناك مُعدِّلات الجرافين التي تعتمد على الجرافين للتبديل بين المعادن الماصة والعوازل الشفافة. يوضح ذلك تنوع تطبيقات الآليات المختلفة لتحقيق تعديل الإشارة الضوئية عالي السرعة ومنخفض الخسارة.

الشكل 10: (أ) رسم تخطيطي مقطعي لمختلف تصاميم المغير البصري القائمة على السيليكون و (ب) رسم تخطيطي مقطعي لتصاميم الكاشف البصري.

وتظهر العديد من أجهزة الكشف عن الضوء القائمة على السيليكون في الشكل 10B. المادة الماصة هي الجرمانيوم (Ge). Ge قادر على امتصاص الضوء بأطوال موجية تصل إلى حوالي 1.6 ميكرون. يظهر على اليسار هيكل الدبوس الأكثر نجاحًا تجاريًا اليوم. وهو يتألف من السيليكون المخدر من النوع P الذي ينمو عليه Ge. لدى Ge وSi عدم تطابق شبكي بنسبة 4%، ومن أجل تقليل التفكك، تمت زراعة طبقة رقيقة من SiGe أولاً كطبقة عازلة. يتم إجراء المنشطات من النوع N على الجزء العلوي من طبقة Ge. يظهر الثنائي الضوئي المعدني وأشباه الموصلات المعدنية (MSM) في المنتصف، وAPD (كاشف ضوئي للانهيار الجليدي) يظهر على اليمين. تقع منطقة الانهيار الجليدي في APD في Si، والتي تتميز بخصائص ضوضاء أقل مقارنة بمنطقة الانهيار الجليدي في المواد الأولية للمجموعة III-V.

في الوقت الحاضر، لا توجد حلول ذات مزايا واضحة في دمج الكسب البصري مع ضوئيات السيليكون. ويبين الشكل 11 العديد من الخيارات الممكنة المنظمة حسب مستوى التجميع. في أقصى اليسار توجد تكاملات متجانسة تتضمن استخدام الجرمانيوم المزروع فوق المحور (Ge) كمادة كسب بصري، والأدلة الموجية الزجاجية المشبعة بالإربيوم (Er) (مثل Al2O3، الذي يتطلب ضخًا بصريًا)، وزرنيخيد الغاليوم المزروع فوق المحور (GaAs) ) النقاط الكمومية. العمود التالي عبارة عن تجميع من الرقاقة إلى الرقاقة، يشتمل على روابط أكسيدية وعضوية في منطقة كسب المجموعة III-V. العمود التالي هو تجميع الشريحة إلى الرقاقة، والذي يتضمن دمج شريحة المجموعة III-V في تجويف رقاقة السيليكون ثم تصنيع هيكل الدليل الموجي. وتتمثل ميزة نهج الأعمدة الثلاثة الأولى في أنه يمكن اختبار الجهاز بشكل كامل داخل الرقاقة قبل القطع. العمود الموجود في أقصى اليمين عبارة عن تجميع من شريحة إلى شريحة، بما في ذلك الاقتران المباشر لرقائق السيليكون بشرائح المجموعة III-V، بالإضافة إلى الاقتران عبر العدسات وقارنات التوصيل الشبكية. يتحرك الاتجاه نحو التطبيقات التجارية من الجانب الأيمن إلى الجانب الأيسر من المخطط نحو حلول أكثر تكاملاً وتكاملاً.

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