องค์ประกอบที่ใช้งานของซิลิคอนโฟโตนิกส์

องค์ประกอบที่ใช้งานของซิลิคอนโฟโตนิกส์

ส่วนประกอบที่ใช้งานของ Photonics อ้างอิงถึงปฏิสัมพันธ์แบบไดนามิกที่ออกแบบโดยเจตนาระหว่างแสงและสสารโดยเฉพาะ ส่วนประกอบที่ใช้งานทั่วไปของโฟโตนิกส์คือตัวปรับแสง ทั้งหมดที่ใช้ซิลิคอนในปัจจุบันตัวปรับแสงขึ้นอยู่กับเอฟเฟกต์พาหะอิสระของพลาสมา การเปลี่ยนจำนวนอิเล็กตรอนอิสระและรูในวัสดุซิลิกอนโดยการเติม วิธีการทางไฟฟ้าหรือทางแสงสามารถเปลี่ยนดัชนีการหักเหของแสงที่ซับซ้อนได้ ซึ่งเป็นกระบวนการที่แสดงในสมการ (1,2) ที่ได้รับจากการปรับข้อมูลจาก Soref และ Bennett ที่ความยาวคลื่น 1,550 นาโนเมตร . เมื่อเปรียบเทียบกับอิเล็กตรอน รูทำให้เกิดสัดส่วนที่มากกว่าของการเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสงจริงและจินตภาพ กล่าวคือ พวกมันสามารถสร้างการเปลี่ยนแปลงเฟสที่มากขึ้นสำหรับการเปลี่ยนแปลงการสูญเสียที่กำหนด ดังนั้นโมดูเลเตอร์ Mach-Zehderและโมดูเลเตอร์วงแหวน มักนิยมใช้รูเพื่อสร้างโมดูเลเตอร์เฟส.

ต่างๆโมดูเลเตอร์ซิลิคอน (Si)ประเภทแสดงในรูปที่ 10A ในโมดูเลเตอร์การฉีดสารพาหะ แสงจะอยู่ในซิลิคอนภายในภายในจุดเชื่อมต่อพินที่กว้างมาก และอิเล็กตรอนและรูจะถูกฉีดเข้าไป อย่างไรก็ตาม โมดูเลเตอร์ดังกล่าวจะช้ากว่า โดยทั่วไปจะมีแบนด์วิธ 500 MHz เนื่องจากอิเล็กตรอนและรูอิสระจะใช้เวลาในการรวมตัวกันใหม่นานกว่าหลังการฉีด ดังนั้น โครงสร้างนี้จึงมักถูกใช้เป็นตัวลดทอนแสงแบบแปรผัน (VOA) แทนที่จะเป็นโมดูเลเตอร์ ในโมดูเลเตอร์พร่องพาหะ ส่วนแสงจะอยู่ในจุดเชื่อมต่อ pn ที่แคบ และความกว้างของการพร่องของจุดเชื่อมต่อ pn จะเปลี่ยนไปตามสนามไฟฟ้าที่ใช้ โมดูเลเตอร์นี้สามารถทำงานที่ความเร็วสูงเกิน 50Gb/s แต่มีการสูญเสียการแทรกพื้นหลังสูง vpil ทั่วไปคือ 2 V-cm โมดูเลเตอร์เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์ (MOS) (จริงๆ แล้วคือเซมิคอนดักเตอร์-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์) มีชั้นออกไซด์บางๆ อยู่ที่จุดเชื่อมต่อ pn ยอมให้มีการสะสมพาหะบางส่วนเช่นเดียวกับการสูญเสียพาหะ ทำให้ VπL เล็กลงประมาณ 0.2 V-cm แต่มีข้อเสียคือการสูญเสียทางแสงที่สูงขึ้นและความจุต่อหน่วยความยาวที่สูงขึ้น นอกจากนี้ ยังมีโมดูเลเตอร์การดูดซับไฟฟ้าของ SiGe ที่อิงตามการเคลื่อนที่ของขอบของแถบ SiGe (ซิลิคอนเจอร์เมเนียม) นอกจากนี้ยังมีโมดูเลเตอร์กราฟีนที่ใช้กราฟีนเพื่อสลับระหว่างการดูดซับโลหะและฉนวนโปร่งใส สิ่งเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความหลากหลายของการใช้งานกลไกที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้การปรับสัญญาณออปติคัลความเร็วสูงและการสูญเสียต่ำ

รูปที่ 10: (A) แผนภาพหน้าตัดของการออกแบบโมดูเลเตอร์แสงที่ใช้ซิลิคอนต่างๆ และ (B) แผนภาพหน้าตัดของการออกแบบเครื่องตรวจจับแสง

เครื่องตรวจจับแสงที่ใช้ซิลิคอนหลายตัวแสดงไว้ในรูปที่ 10B วัสดุดูดซับคือเจอร์เมเนียม (Ge) Ge สามารถดูดซับแสงที่ความยาวคลื่นได้ประมาณ 1.6 ไมครอน ภาพด้านซ้ายคือโครงสร้างพินที่ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์มากที่สุดในปัจจุบัน ประกอบด้วยซิลิคอนเจือชนิด P ซึ่งเป็นที่ที่ Ge เติบโต Ge และ Si มีความไม่ตรงกันของโครงตาข่าย 4% และเพื่อที่จะลดการเคลื่อนตัวให้เหลือน้อยที่สุด ชั้นบางๆ ของ SiGe จึงถูกขยายเป็นชั้นบัฟเฟอร์ก่อน การเติมสารชนิด N จะดำเนินการที่ด้านบนของชั้น Ge โฟโตไดโอดของโลหะ-เซมิคอนดักเตอร์-โลหะ (MSM) จะแสดงอยู่ตรงกลาง และ APD (เครื่องตรวจจับหิมะถล่ม) จะแสดงทางด้านขวา บริเวณหิมะถล่มใน APD ตั้งอยู่ใน Si ซึ่งมีลักษณะทางเสียงต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับบริเวณหิมะถล่มในวัสดุองค์ประกอบกลุ่ม III-V

ปัจจุบันยังไม่มีวิธีแก้ปัญหาที่มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในการรวมการรับแสงเข้ากับซิลิคอนโฟโตนิกส์ รูปที่ 11 แสดงตัวเลือกที่เป็นไปได้หลายอย่างซึ่งจัดตามระดับการประกอบ ทางด้านซ้ายสุดเป็นการบูรณาการแบบเสาหินซึ่งรวมถึงการใช้เจอร์เมเนียม (Ge) ที่ปลูกโดย epitaxial เป็นวัสดุที่ได้รับแสง, ท่อนำคลื่นแก้วที่เจือด้วยเออร์เบียม (Er) (เช่น Al2O3 ซึ่งต้องใช้การสูบฉีดด้วยแสง) และแกลเลียมอาร์เซไนด์ที่ปลูกโดย epitaxisly (GaAs) ) จุดควอนตัม คอลัมน์ถัดไปคือการประกอบแผ่นเวเฟอร์ต่อแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับออกไซด์และพันธะอินทรีย์ในบริเวณที่ได้รับของกลุ่ม III-V คอลัมน์ถัดไปคือการประกอบชิปเป็นเวเฟอร์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการฝังชิปกลุ่ม III-V เข้าไปในช่องของเวเฟอร์ซิลิคอน จากนั้นจึงตัดเฉือนโครงสร้างท่อนำคลื่น ข้อดีของแนวทางสามคอลัมน์แรกนี้คือสามารถทดสอบอุปกรณ์ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ภายในเวเฟอร์ก่อนทำการตัด คอลัมน์ด้านขวาสุดคือการประกอบแบบชิปต่อชิป ซึ่งรวมถึงการเชื่อมต่อโดยตรงของชิปซิลิคอนกับชิปกลุ่ม III-V รวมถึงการมีเพศสัมพันธ์ผ่านเลนส์และข้อต่อตะแกรง แนวโน้มการใช้งานเชิงพาณิชย์กำลังเคลื่อนจากด้านขวาไปด้านซ้ายของแผนภูมิ ไปสู่โซลูชันที่มีการบูรณาการและบูรณาการมากขึ้น

รูปที่ 11: วิธีการรวมอัตราขยายทางแสงเข้ากับโฟโตนิกส์ที่ใช้ซิลิคอน เมื่อคุณย้ายจากซ้ายไปขวา จุดแทรกการผลิตจะค่อยๆ เคลื่อนกลับในกระบวนการ