Simulación optoelectrónica de una guía de onda de silicio integrada con diodos de avalancha de un solo fotón

Área de la Ciencia:

• Fotónica y Física de dispositivos de semiconductores Física de dispositivos de semiconductores
• La óptica integrada es una óptica integrada.
• Tecnologías Cuánticas Tecnologías Cuánticas

Sus antecedentes:

• Los diodos de avalancha de un solo fotón (SPAD) se exploran como una alternativa a temperatura ambiente compatible con CMOS a los detectores criogénicos para la fotónica integrada.
• Los detectores existentes a menudo requieren refrigeración criogénica, lo que limita las aplicaciones prácticas.
• Los circuitos integrados fotónicos (PIC) ofrecen una plataforma para la miniaturización y la escalabilidad.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar y presentar un marco completo de simulación multifísica optoelectrónica para SPAD integrados en guías de onda.
• Establecer una metodología escalable para la co-optimización de la tecnología de diseño (DTCO) de los SPAD dentro de los PIC.
• Identificar áreas clave para la mejora del rendimiento, particularmente en la reducción de la tasa de conteo oscuro (DCR).

Principales métodos:

• Desarrollo de un marco de simulación multifísica optoelectrónica.
• Modelado de SPAD integrados con guía de onda basado en la tecnología isipp50G de imec.
• Simulación del rendimiento del dispositivo, incluida la eficiencia de detección de fotones (PDE) y la tasa de conteo en oscuridad (DCR).

Principales resultados:

• Los dispositivos simulados demuestran el potencial de las eficiencias máximas de detección de fotones (PDE) que superan el 75% a 600 nm cuando se acoplan con una guía de onda SiN.
• El marco de simulación permite la exploración de parámetros de diseño para la optimización del rendimiento.
• Se identificaron vías críticas para la reducción de DCR, cruciales para las aplicaciones fotónicas cuánticas prácticas.

Conclusiones:

• El marco de simulación desarrollado proporciona una metodología DTCO escalable para SPAD integrados.
• Se puede lograr una alta PDE con la tecnología actual, lo que pone de relieve el potencial de los SPAD integrados en guías de onda.
• Una optimización adicional centrada en la reducción de DCR es esencial para avanzar en la integración de SPAD en circuitos fotónicos cuánticos.