Szilícium fotonika aktív elem

Szilícium fotonika aktív elem

A fotonika aktív komponensei kifejezetten a fény és az anyag közötti szándékosan tervezett dinamikus kölcsönhatásokra utalnak. A fotonika tipikus aktív komponense az optikai modulátor. Minden jelenlegi szilícium alapúoptikai modulátoroka plazmamentes hordozó hatáson alapulnak. A szilícium anyagban lévő szabad elektronok és lyukak számának adalékolással, elektromos vagy optikai módszerekkel történő megváltoztatása megváltoztathatja annak komplex törésmutatóját, ez a folyamat az (1,2) egyenletekben látható, amelyet Soref és Bennett adatainak 1550 nanométeres hullámhosszon történő illesztésével kapunk. . Az elektronokhoz képest a lyukak a valós és a képzeletbeli törésmutató-változások nagyobb hányadát okozzák, azaz adott veszteségváltozás mellett nagyobb fázisváltozást tudnak produkálni, ígyMach-Zehnder modulátorokés gyűrűs modulátorok, általában előnyben részesítik a lyukak készítésétfázismodulátorok.

A különféleszilícium (Si) modulátortípusai a 10A. ábrán láthatók. A hordozóinjektáló modulátorban a fény a belső szilíciumban helyezkedik el egy nagyon széles érintkezési ponton belül, és elektronokat és lyukakat fecskendeznek be. Az ilyen modulátorok azonban lassabbak, jellemzően 500 MHz-es sávszélességgel rendelkeznek, mivel a szabad elektronok és lyukak rekombinációja hosszabb ideig tart az injektálás után. Ezért ezt a szerkezetet gyakran változó optikai csillapítóként (VOA) használják modulátor helyett. A vivőkimerülési modulátorban a fény rész egy keskeny pn átmenetben helyezkedik el, és a pn átmenet kimerülési szélességét az alkalmazott elektromos tér megváltoztatja. Ez a modulátor 50 Gb/s-ot meghaladó sebességgel tud működni, de nagy a háttérbeillesztési vesztesége. A tipikus vpil 2 V-cm. A fém-oxid félvezető (MOS) (valójában félvezető-oxid-félvezető) modulátor vékony oxidréteget tartalmaz egy pn átmenetben. Lehetővé teszi bizonyos vivőfelhalmozódást, valamint a vivőkimerülést, így kisebb, körülbelül 0,2 V-cm-es VπL-t tesz lehetővé, de hátránya a nagyobb optikai veszteségek és a nagyobb egységnyi hosszonkénti kapacitás. Ezen kívül vannak SiGe elektromos abszorpciós modulátorok, amelyek SiGe (szilícium germániumötvözet) szalagélmozgáson alapulnak. Ezenkívül vannak grafén modulátorok, amelyek a grafénre támaszkodnak az elnyelő fémek és az átlátszó szigetelők közötti váltáshoz. Ezek bemutatják a különböző mechanizmusok sokféle alkalmazását a nagy sebességű, alacsony veszteségű optikai jelmoduláció eléréséhez.

10. ábra: (A) Különféle szilícium alapú optikai modulátorok keresztmetszeti diagramja és (B) optikai detektorok keresztmetszeti diagramja.

A 10B. ábrán számos szilícium alapú fénydetektor látható. A nedvszívó anyag germánium (Ge). A Ge körülbelül 1,6 mikron hullámhosszig képes elnyelni a fényt. A bal oldalon látható a mai kereskedelmileg legsikeresebb tűszerkezet. P-típusú adalékolt szilíciumból áll, amelyen a Ge nő. A Ge és Si 4%-os rácshibát mutat, és a diszlokáció minimalizálása érdekében először egy vékony SiGe réteget növesztettek pufferrétegként. Az N-típusú adalékolást a Ge réteg tetején végezzük. Középen egy fém-félvezető-fém (MSM) fotodióda látható, és egy APD (lavina Fotódetektor) látható a jobb oldalon. Az APD-ben a lavinarégió Si-ben található, amely alacsonyabb zajjellemzőkkel rendelkezik, mint a III-V. csoportba tartozó elemi anyagok lavinaterülete.

Jelenleg nincsenek nyilvánvaló előnyökkel járó megoldások az optikai erősítés és a szilícium fotonika integrálására. A 11. ábra több lehetséges opciót mutat összeállítási szintek szerint rendezve. A bal szélen monolitikus integrációk láthatók, amelyek magukban foglalják az epitaxiálisan növesztett germánium (Ge) optikai erősítőanyagként való használatát, erbiummal adalékolt (Er) üveghullámvezetőket (például Al2O3, amely optikai pumpálást igényel), és epitaxiálisan növesztett gallium-arzenidet (GaAs) ) kvantumpontok. A következő oszlop az ostya-ostya összeállítás, amely magában foglalja az oxidot és a szerves kötést a III-V csoport erősítési régiójában. A következő oszlop a chip-wafer összeszerelés, amely magában foglalja a III-V csoport chip beágyazását a szilícium lapka üregébe, majd a hullámvezető szerkezet megmunkálását. Ennek az első három oszlopos megközelítésnek az az előnye, hogy vágás előtt az eszköz teljesen működőképes tesztelhető az ostya belsejében. A jobb szélső oszlop a chip-chip összeszerelés, beleértve a szilícium chipek közvetlen csatolását a III-V csoport chipekhez, valamint a lencsén és a rácsos csatolókon keresztül történő csatlakoztatást. A kereskedelmi alkalmazások irányába mutató tendencia a diagram jobb oldaláról balra halad az integráltabb és integráltabb megoldások felé.

11. ábra: Az optikai erősítés integrálása a szilícium alapú fotonikába. Ahogy balról jobbra mozog, a gyártási beszúrási pont fokozatosan visszamozdul a folyamat során.