ธาตุที่ใช้งานของโฟโตนิกส์ซิลิกอน

ธาตุที่ใช้งานของโฟโตนิกส์ซิลิกอน

ส่วนประกอบที่ใช้งานของโฟโตนิกส์หมายถึงปฏิสัมพันธ์แบบไดนามิกที่ออกแบบมาโดยตั้งใจระหว่างแสงและสสาร ส่วนประกอบที่ใช้งานทั่วไปของโฟโตนิกส์คือตัวปรับแสง ส่วนประกอบที่ใช้ซิลิกอนในปัจจุบันทั้งหมดตัวปรับแสงขึ้นอยู่กับผลของตัวพาอิสระของพลาสมา การเปลี่ยนจำนวนอิเล็กตรอนอิสระและโฮลในวัสดุซิลิกอนด้วยวิธีการเจือปน ไฟฟ้า หรือแสง สามารถเปลี่ยนดัชนีหักเหแสงที่ซับซ้อนได้ ซึ่งเป็นกระบวนการที่แสดงในสมการ (1,2) ที่ได้จากการปรับข้อมูลจาก Soref และ Bennett ที่ความยาวคลื่น 1,550 นาโนเมตร เมื่อเปรียบเทียบกับอิเล็กตรอน โฮลทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหแสงจริงและจินตภาพในสัดส่วนที่มากขึ้น นั่นคือ โฮลสามารถสร้างการเปลี่ยนแปลงเฟสที่มากขึ้นสำหรับการเปลี่ยนแปลงการสูญเสียที่กำหนด ดังนั้นในโมดูเลเตอร์ Mach-Zehnderและตัวปรับวงแหวน มักนิยมใช้รูเพื่อทำตัวปรับเฟส.

ความหลากหลายโมดูเลเตอร์ซิลิกอน (Si)ประเภทต่างๆ จะแสดงในรูปที่ 10A ในตัวปรับความถี่แบบฉีดพาหะ แสงจะอยู่ในซิลิคอนภายในจุดเชื่อมต่อพินที่กว้างมาก และอิเล็กตรอนและโฮลจะถูกฉีดเข้าไป อย่างไรก็ตาม ตัวปรับความถี่ดังกล่าวจะช้ากว่า โดยทั่วไปจะมีแบนด์วิดท์ 500 MHz เนื่องจากอิเล็กตรอนและโฮลอิสระใช้เวลานานกว่าในการรวมตัวใหม่หลังจากฉีดเข้าไป ดังนั้น โครงสร้างนี้จึงมักใช้เป็นตัวลดทอนแสงแบบแปรผัน (VOA) มากกว่าตัวปรับความถี่ ในตัวปรับความถี่แบบลดความถี่แบบพาหะ ส่วนแสงจะอยู่ในจุดเชื่อมต่อ pn ที่แคบ และความกว้างของการลดลงจุดเชื่อมต่อ pn จะถูกเปลี่ยนแปลงโดยสนามไฟฟ้าที่ใช้ ตัวปรับความถี่นี้สามารถทำงานด้วยความเร็วเกิน 50Gb/s แต่มีการสูญเสียการแทรกพื้นหลังสูง Vpil ทั่วไปคือ 2 V-cm ตัวปรับความถี่แบบโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) (จริง ๆ แล้วคือเซมิคอนดักเตอร์-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์) มีชั้นออกไซด์บาง ๆ ในจุดเชื่อมต่อ pn ซึ่งช่วยให้เกิดการสะสมของพาหะและการสูญเสียของพาหะได้ในระดับหนึ่ง ทำให้มีค่า VπL เล็กลงประมาณ 0.2 V-cm แต่มีข้อเสียคือการสูญเสียแสงที่สูงกว่าและความจุที่สูงกว่าต่อหน่วยความยาว นอกจากนี้ยังมีตัวปรับการดูดซับไฟฟ้า SiGe ที่ใช้การเคลื่อนตัวของขอบแบนด์ SiGe (โลหะผสมซิลิกอนเจอร์เมเนียม) นอกจากนี้ยังมีตัวปรับกราฟีนที่ใช้กราฟีนเพื่อสลับระหว่างโลหะที่ดูดซับและฉนวนโปร่งใส ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความหลากหลายของการใช้งานกลไกต่างๆ เพื่อให้ได้การมอดูเลตสัญญาณออปติกความเร็วสูงและการสูญเสียต่ำ

รูปที่ 10: (A) แผนภาพหน้าตัดของการออกแบบตัวปรับเปลี่ยนแสงที่ใช้ซิลิกอนต่างๆ และ (B) แผนภาพหน้าตัดของการออกแบบตัวตรวจจับแสง

รูปที่ 10B แสดงเครื่องตรวจจับแสงที่ใช้ซิลิกอนหลายตัว วัสดุที่ดูดกลืนคือเจอร์เมเนียม (Ge) Ge สามารถดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นต่ำถึงประมาณ 1.6 ไมครอน โครงสร้างพินที่ประสบความสำเร็จทางการค้ามากที่สุดในปัจจุบันแสดงทางด้านซ้าย ประกอบด้วยซิลิกอนที่ถูกเจือปนด้วยสารเจือปนชนิด P ซึ่ง Ge จะเติบโตอยู่ Ge และ Si มีความไม่ตรงกันของโครงตาข่าย 4% และเพื่อลดการเคลื่อนตัว จึงปลูกชั้นบางๆ ของ SiGe เป็นชั้นบัฟเฟอร์ก่อน จากนั้นจึงทำการเจือปนด้วยสารเจือปนชนิด N ที่ด้านบนของชั้น Ge โฟโตไดโอดแบบโลหะ-เซมิคอนดักเตอร์-โลหะ (MSM) แสดงอยู่ตรงกลาง และ APD (เครื่องตรวจจับหิมะถล่ม) แสดงอยู่ทางด้านขวา บริเวณที่เกิดหิมะถล่มใน APD อยู่ในกลุ่ม Si ซึ่งมีลักษณะเสียงรบกวนต่ำกว่าบริเวณที่เกิดหิมะถล่มในวัสดุธาตุกลุ่ม III-V

ในปัจจุบันยังไม่มีโซลูชันที่มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในการผสานรวมค่าเกนออปติคอลกับโฟโตนิกส์ซิลิกอน รูปที่ 11 แสดงตัวเลือกที่เป็นไปได้หลายตัวที่จัดตามระดับการประกอบ ทางด้านซ้ายสุดเป็นการผสานรวมแบบโมโนลิธิกซึ่งรวมถึงการใช้เจอร์เมเนียม (Ge) ที่ปลูกแบบเอพิแทกเซียลเป็นวัสดุสำหรับค่าเกนออปติคอล ท่อนำคลื่นแก้วที่เจือด้วยเออร์เบียม (Er) (เช่น Al2O3 ซึ่งต้องใช้การปั๊มออปติคอล) และจุดควอนตัมแกเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ที่ปลูกแบบเอพิแทกเซียล คอลัมน์ถัดไปเป็นการประกอบเวเฟอร์กับเวเฟอร์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับออกไซด์และพันธะอินทรีย์ในบริเวณค่าเกนกลุ่ม III-V คอลัมน์ถัดไปเป็นการประกอบชิปกับเวเฟอร์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการฝังชิปกลุ่ม III-V ลงในโพรงของเวเฟอร์ซิลิกอนแล้วจึงกลึงโครงสร้างท่อนำคลื่น ข้อดีของแนวทางสามคอลัมน์แรกนี้คืออุปกรณ์สามารถทดสอบการทำงานได้อย่างเต็มที่ภายในเวเฟอร์ก่อนการตัด คอลัมน์ขวาสุดคือการประกอบชิปต่อชิป ซึ่งรวมถึงการจับคู่ชิปซิลิกอนโดยตรงเข้ากับชิปกลุ่ม III-V เช่นเดียวกับการจับคู่ผ่านเลนส์และตัวต่อแบบกริด แนวโน้มการใช้งานเชิงพาณิชย์กำลังเคลื่อนจากด้านขวาไปด้านซ้ายของแผนภูมิไปสู่โซลูชันที่บูรณาการและบูรณาการมากขึ้น

รูปที่ 11: การรวมค่าขยายแสงเข้ากับโฟโตนิกส์ที่ใช้ซิลิกอน เมื่อคุณเลื่อนจากซ้ายไปขวา จุดแทรกในการผลิตจะค่อยๆ เลื่อนกลับในกระบวนการ