ธาตุที่ใช้งานของซิลิคอนโฟโตนิกส์

ธาตุที่ใช้งานของซิลิคอนโฟโตนิกส์

ส่วนประกอบแอคทีฟโฟโตนิกส์ หมายถึงปฏิสัมพันธ์แบบไดนามิกที่ออกแบบมาอย่างตั้งใจระหว่างแสงและสสาร ส่วนประกอบแอคทีฟทั่วไปของโฟโตนิกส์คือตัวปรับแสง ส่วนประกอบที่ใช้ซิลิคอนในปัจจุบันทั้งหมดตัวปรับแสงอาศัยปรากฏการณ์พาหะอิสระของพลาสมา การเปลี่ยนแปลงจำนวนอิเล็กตรอนอิสระและโฮลในวัสดุซิลิกอนด้วยวิธีการโดป ไฟฟ้า หรือแสง สามารถเปลี่ยนดัชนีหักเหเชิงซ้อนของวัสดุได้ ซึ่งเป็นกระบวนการที่แสดงในสมการ (1, 2) ซึ่งได้จากการฟิตติ้งข้อมูลจาก Soref และ Bennett ที่ความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร เมื่อเปรียบเทียบกับอิเล็กตรอน โฮลทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหจริงและจินตภาพในสัดส่วนที่สูงกว่า นั่นคือ โฮลสามารถสร้างการเปลี่ยนแปลงเฟสที่มากขึ้นสำหรับการเปลี่ยนแปลงการสูญเสียที่กำหนด ดังนั้นในเครื่องปรับเสียง Mach-Zehnderและตัวปรับวงแหวน โดยทั่วไปแล้ว นิยมใช้รูเพื่อทำตัวปรับเฟส.

ต่างๆตัวปรับซิลิกอน (Si)ประเภทต่างๆ แสดงในรูปที่ 10A ในโมดูเลเตอร์แบบฉีดพาหะ แสงจะอยู่ในซิลิคอนภายในรอยต่อพินที่กว้างมาก และอิเล็กตรอนและโฮลจะถูกฉีดเข้าไป อย่างไรก็ตาม โมดูเลเตอร์ดังกล่าวจะช้ากว่า โดยทั่วไปจะมีแบนด์วิดท์ 500 MHz เนื่องจากอิเล็กตรอนอิสระและโฮลใช้เวลานานกว่าในการรวมตัวกันใหม่หลังจากการฉีดเข้าไป ดังนั้น โครงสร้างนี้จึงมักใช้เป็นตัวลดทอนแสงแบบแปรผัน (VOA) มากกว่าตัวโมดูเลเตอร์ ในโมดูเลเตอร์แบบลดทอนพาหะ ส่วนแสงจะอยู่ในรอยต่อ pn ที่แคบ และความกว้างของรอยต่อ pn จะถูกเปลี่ยนแปลงโดยสนามไฟฟ้าที่ใช้ โมดูเลเตอร์นี้สามารถทำงานที่ความเร็วเกิน 50Gb/s แต่มีการสูญเสียการแทรกพื้นหลังสูง ค่า vpil ทั่วไปคือ 2 V-cm โมดูเลเตอร์แบบโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) (จริงๆ แล้วคือเซมิคอนดักเตอร์-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์) ประกอบด้วยชั้นออกไซด์บางๆ ในรอยต่อ pn วิธีนี้ช่วยให้เกิดการสะสมตัวพาและการสูญเสียตัวพาบางส่วน ทำให้ค่า VπL เล็กลงประมาณ 0.2 V-cm แต่มีข้อเสียคือการสูญเสียทางแสงที่สูงขึ้นและความจุต่อหน่วยความยาวที่สูงขึ้น นอกจากนี้ ยังมีตัวปรับการดูดกลืนไฟฟ้า SiGe ที่ใช้การเคลื่อนที่ของขอบแบนด์ด้วย SiGe (โลหะผสมซิลิคอนเจอร์เมเนียม) นอกจากนี้ยังมีตัวปรับกราฟีนที่ใช้กราฟีนเพื่อสลับระหว่างโลหะดูดซับและฉนวนโปร่งใส ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความหลากหลายของการประยุกต์ใช้กลไกต่างๆ เพื่อให้ได้การมอดูเลตสัญญาณแสงความเร็วสูงและการสูญเสียต่ำ

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

รูปที่ 10B แสดงเครื่องตรวจจับแสงที่ใช้ซิลิคอนหลายตัว วัสดุดูดกลืนคือเจอร์เมเนียม (Ge) Ge สามารถดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นต่ำถึงประมาณ 1.6 ไมครอน ภาพด้านซ้ายแสดงโครงสร้างพินที่ประสบความสำเร็จทางการค้ามากที่สุดในปัจจุบัน ประกอบด้วยซิลิคอนชนิด P ที่ถูกเจือปน ซึ่ง Ge เจริญเติบโตอยู่ Ge และ Si มีโครงสร้างแลตทิซที่ไม่ตรงกัน 4% และเพื่อลดความคลาดเคลื่อน จึงมีการเจือปนชั้นบางๆ ของ SiGe ขึ้นเป็นชั้นบัฟเฟอร์ก่อน การเจือปนชนิด N เกิดขึ้นที่ด้านบนของชั้น Ge โฟโตไดโอดแบบโลหะ-สารกึ่งตัวนำ-โลหะ (MSM) แสดงอยู่ตรงกลาง และ APD (เครื่องตรวจจับหิมะถล่ม) แสดงอยู่ทางด้านขวา บริเวณหิมะถล่มใน APD อยู่ในกลุ่ม Si ซึ่งมีคุณสมบัติทางเสียงรบกวนต่ำกว่าบริเวณหิมะถล่มในธาตุกลุ่ม III-V

ปัจจุบันยังไม่มีวิธีการใดที่มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในการผสานรวมค่าเกนแสงเข้ากับซิลิคอนโฟโตนิกส์ รูปที่ 11 แสดงตัวเลือกที่เป็นไปได้หลายแบบ ซึ่งจัดเรียงตามระดับการประกอบ ด้านซ้ายสุดคือวิธีผสานรวมแบบโมโนลิธิก ซึ่งรวมถึงการใช้เจอร์เมเนียม (Ge) ที่ปลูกแบบอิพิแทกเซียลเป็นวัสดุสำหรับค่าเกนแสง ท่อนำคลื่นแก้วที่เจือด้วยเออร์เบียม (Er) (เช่น Al2O3 ซึ่งต้องใช้การปั๊มแสง) และจุดควอนตัมแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ที่ปลูกแบบอิพิแทกเซียล คอลัมน์ถัดไปคือการประกอบเวเฟอร์กับเวเฟอร์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับออกไซด์และพันธะอินทรีย์ในบริเวณค่าเกนกลุ่ม III-V คอลัมน์ถัดไปคือการประกอบชิปกับเวเฟอร์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการฝังชิปกลุ่ม III-V ลงในโพรงของเวเฟอร์ซิลิคอน จากนั้นจึงกลึงโครงสร้างท่อนำคลื่น ข้อดีของวิธีการสามคอลัมน์แรกนี้คืออุปกรณ์สามารถทดสอบการทำงานได้อย่างสมบูรณ์ภายในเวเฟอร์ก่อนการตัด คอลัมน์ขวาสุดคือการประกอบชิปต่อชิป ซึ่งรวมถึงการเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างชิปซิลิคอนกับชิปกลุ่ม III-V รวมถึงการเชื่อมต่อผ่านเลนส์และตัวต่อแบบเกรตติง แนวโน้มการใช้งานเชิงพาณิชย์กำลังเปลี่ยนจากด้านขวาไปด้านซ้ายของแผนภูมิไปสู่โซลูชันที่บูรณาการและผสานรวมมากขึ้น

รูปที่ 11: วิธีการผสานอัตราขยายแสงเข้ากับโฟโตนิกส์ที่ใช้ซิลิกอน เมื่อเลื่อนจากซ้ายไปขวา จุดแทรกในการผลิตจะค่อยๆ เลื่อนกลับในกระบวนการ