องค์ประกอบแอคทีฟโฟโตนิกส์ซิลิคอน

องค์ประกอบแอคทีฟโฟโตนิกส์ซิลิคอน

ส่วนประกอบแอคทีฟทางโฟโตนิกส์ หมายถึง ปฏิสัมพันธ์แบบไดนามิกที่ออกแบบมาโดยเจตนา ระหว่างแสงและสสาร ส่วนประกอบแอคทีฟทั่วไปของโฟโตนิกส์คือ ตัวปรับสัญญาณแสง (optical modulator) อุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอนในปัจจุบันทั้งหมดมีคุณสมบัติดังกล่าวตัวปรับสัญญาณแสงโดยอาศัยผลของตัวพาอิสระในพลาสมา การเปลี่ยนแปลงจำนวนอิเล็กตรอนและโฮลอิสระในวัสดุซิลิคอนโดยวิธีการโดป การใช้ไฟฟ้า หรือการใช้แสง สามารถเปลี่ยนดัชนีหักเหเชิงซ้อนได้ ซึ่งเป็นกระบวนการที่แสดงในสมการ (1,2) ที่ได้จากการปรับข้อมูลจาก Soref และ Bennett ที่ความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร เมื่อเปรียบเทียบกับอิเล็กตรอน โฮลทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหจริงและจินตนาการในสัดส่วนที่มากกว่า กล่าวคือ โฮลสามารถสร้างการเปลี่ยนแปลงเฟสที่มากขึ้นสำหรับการเปลี่ยนแปลงการสูญเสียที่กำหนด ดังนั้นในตัวปรับสัญญาณ Mach-Zehnderและสำหรับวงจรปรับสัญญาณแบบวงแหวน โดยทั่วไปแล้วนิยมใช้รูเพื่อสร้างวงจรดังกล่าวตัวปรับเฟส.

ต่างๆตัวปรับสัญญาณซิลิคอน (Si)ประเภทต่างๆ แสดงไว้ในรูปที่ 10A ในตัวปรับสัญญาณแบบฉีดพาหะ แสงจะอยู่ในซิลิคอนบริสุทธิ์ภายในรอยต่อพินที่กว้างมาก และอิเล็กตรอนและโฮลจะถูกฉีดเข้าไป อย่างไรก็ตาม ตัวปรับสัญญาณประเภทนี้จะทำงานช้ากว่า โดยทั่วไปมีแบนด์วิดท์ 500 MHz เนื่องจากอิเล็กตรอนและโฮลอิสระใช้เวลานานกว่าในการรวมตัวกันใหม่หลังจากการฉีด ดังนั้นโครงสร้างนี้จึงมักใช้เป็นตัวลดทอนแสงแบบแปรผัน (VOA) มากกว่าตัวปรับสัญญาณ ในตัวปรับสัญญาณแบบลดพาหะ ส่วนของแสงจะอยู่ในรอยต่อ pn ที่แคบ และความกว้างของการลดพาหะของรอยต่อ pn จะเปลี่ยนไปโดยสนามไฟฟ้าที่ใช้ ตัวปรับสัญญาณนี้สามารถทำงานที่ความเร็วเกิน 50 Gb/s ได้ แต่มีการสูญเสียการแทรกพื้นหลังสูง ค่า vpil ทั่วไปคือ 2 V-cm ตัวปรับสัญญาณแบบโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) (จริงๆ แล้วคือเซมิคอนดักเตอร์-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์) ประกอบด้วยชั้นออกไซด์บางๆ ในรอยต่อ pn กลไกนี้ช่วยให้เกิดการสะสมและการลดลงของพาหะบางส่วน ทำให้ค่า VπL มีขนาดเล็กลงเหลือประมาณ 0.2 V-cm แต่มีข้อเสียคือมีการสูญเสียทางแสงสูงขึ้นและมีความจุต่อหน่วยความยาวสูงขึ้น นอกจากนี้ยังมีตัวปรับสัญญาณแบบดูดซับทางไฟฟ้า SiGe ที่ใช้การเคลื่อนที่ของขอบแถบพลังงานของ SiGe (โลหะผสมซิลิคอนเจอร์มาเนียม) และยังมีตัวปรับสัญญาณกราฟีนที่ใช้กราฟีนในการสลับระหว่างโลหะดูดซับและฉนวนโปร่งใส สิ่งเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความหลากหลายของการประยุกต์ใช้กลไกต่างๆ เพื่อให้ได้การปรับสัญญาณแสงความเร็วสูงและมีการสูญเสียต่ำ

รูปที่ 10: (A) แผนภาพภาคตัดขวางของการออกแบบตัวปรับสัญญาณแสงแบบต่างๆ ที่ใช้ซิลิคอนเป็นฐาน และ (B) แผนภาพภาคตัดขวางของการออกแบบตัวตรวจจับแสง

ภาพที่ 10B แสดงอุปกรณ์ตรวจจับแสงที่ทำจากซิลิคอนหลายชนิด วัสดุดูดซับคือเจอร์มาเนียม (Ge) Ge สามารถดูดซับแสงได้ที่ความยาวคลื่นต่ำถึงประมาณ 1.6 ไมครอน ด้านซ้ายแสดงโครงสร้างพินที่ประสบความสำเร็จทางการค้ามากที่สุดในปัจจุบัน ประกอบด้วยซิลิคอนที่เจือด้วยสาร P-type ซึ่งมี Ge เจริญเติบโตอยู่ด้านบน Ge และ Si มีความไม่ตรงกันของโครงสร้างผลึก 4% และเพื่อลดความคลาดเคลื่อนให้น้อยที่สุด จึงมีการปลูกชั้น SiGe บางๆ ก่อนเป็นชั้นบัฟเฟอร์ การเจือด้วยสาร N-type ทำบนชั้น Ge ตรงกลางแสดงโฟโตไดโอดแบบโลหะ-เซมิคอนดักเตอร์-โลหะ (MSM) และ APD (เครื่องตรวจจับหิมะถล่ม(แสดงอยู่ทางด้านขวา) บริเวณที่เกิดปรากฏการณ์ถล่มใน APD นั้นตั้งอยู่ใน Si ซึ่งมีลักษณะเสียงรบกวนต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับบริเวณที่เกิดปรากฏการณ์ถล่มในวัสดุธาตุหมู่ III-V

ในปัจจุบัน ยังไม่มีโซลูชันใดที่มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในการบูรณาการการขยายสัญญาณแสงเข้ากับโฟโตนิกส์ซิลิคอน รูปที่ 11 แสดงตัวเลือกที่เป็นไปได้หลายประการ โดยจัดเรียงตามระดับการประกอบ ด้านซ้ายสุดคือการรวมแบบโมโนลิธิก ซึ่งรวมถึงการใช้เจอร์มาเนียม (Ge) ที่ปลูกแบบเอพิแทกเซียลเป็นวัสดุขยายสัญญาณแสง ท่อนำคลื่นแสงแก้วที่เจือด้วยเออร์เบียม (Er) (เช่น Al2O3 ซึ่งต้องใช้การปั๊มแสง) และจุดควอนตัมแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ที่ปลูกแบบเอพิแทกเซียล คอลัมน์ถัดไปคือการประกอบแบบเวเฟอร์ต่อเวเฟอร์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อออกไซด์และสารอินทรีย์ในบริเวณขยายสัญญาณกลุ่ม III-V คอลัมน์ถัดไปคือการประกอบแบบชิปต่อเวเฟอร์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการฝังชิปกลุ่ม III-V ลงในโพรงของเวเฟอร์ซิลิคอน จากนั้นจึงทำการตัดโครงสร้างท่อนำคลื่นแสง ข้อดีของวิธีการสามคอลัมน์แรกนี้คือ อุปกรณ์สามารถทดสอบการทำงานได้อย่างสมบูรณ์ภายในเวเฟอร์ก่อนการตัด คอลัมน์ขวาสุดแสดงถึงการประกอบชิปต่อชิป ซึ่งรวมถึงการเชื่อมต่อชิปซิลิคอนเข้ากับชิปกลุ่ม III-V โดยตรง ตลอดจนการเชื่อมต่อผ่านเลนส์และตัวเชื่อมต่อแบบตะแกรง แนวโน้มการใช้งานเชิงพาณิชย์กำลังเคลื่อนจากด้านขวาไปด้านซ้ายของแผนภูมิ โดยมุ่งไปสู่โซลูชันแบบบูรณาการและครบวงจรมากขึ้น

รูปที่ 11: วิธีการรวมการขยายสัญญาณแสงเข้ากับโฟโตนิกส์บนพื้นฐานซิลิคอน เมื่อมองจากซ้ายไปขวา จุดเริ่มต้นของการผลิตจะค่อยๆ เลื่อนไปด้านหลังในกระบวนการ