Szilícium fotonikai aktív elem

Szilícium fotonikai aktív elem

A fotonikai aktív komponensek 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 plazma szabadtöltés-hordozó hatásán alapulnak. A szilícium anyagban lévő szabad elektronok és lyukak számának doppingolással, elektromos vagy optikai módszerekkel történő megváltoztatása megváltoztathatja annak komplex törésmutatóját, ezt a folyamatot az (1,2) egyenletek mutatják, amelyeket Soref és Bennett adatainak 1550 nanométer hullámhosszon történő illesztésével kaptunk. Az elektronokhoz képest a lyukak a valós és képzetes törésmutató-változások nagyobb arányát okozzák, azaz adott veszteségváltozás mellett nagyobb fázisváltozást tudnak előidézni, így aMach-Zehnder modulátorokés gyűrűmodulátorok esetén általában lyukakat használnak a készítéshezfázismodulátorok.

A különbözőszilícium (Si) modulátorA típusok a 10A. ábrán láthatók. Egy töltéshordozó-injektálási modulátorban a fény a belső szilíciumban található egy nagyon széles tűátmenetben, és elektronokat és lyukakat injektálnak. Az ilyen modulátorok azonban lassabbak, jellemzően 500 MHz sávszélességgel rendelkeznek, mivel a szabad elektronok és lyukak a befecskendezés után lassabban egyesülnek. Ezért ezt a szerkezetet gyakran változtatható optikai csillapítóként (VOA) használják modulátor helyett. Egy töltéshordozó-kimerülési modulátorban a fény rész egy keskeny pn-átmenetben található, és a pn-átmenet kimerülési szélességét egy alkalmazott elektromos mező változtatja meg. Ez a modulátor 50 Gb/s-nál nagyobb sebességgel működhet, de magas a háttérbeillesztési vesztesége. A tipikus vpil 2 V-cm. Egy fém-oxid félvezető (MOS) (valójában félvezető-oxid-félvezető) modulátor egy vékony oxidréteget tartalmaz egy pn-átmenetben. Ez lehetővé teszi a töltéshordozók bizonyos mértékű felhalmozódását, valamint a töltéshordozók kimerülését, ami kisebb, körülbelül 0,2 V-cm-es VπL-t tesz lehetővé, de hátránya a nagyobb optikai veszteségek és a nagyobb hosszegységre jutó kapacitás. Ezenkívül léteznek SiGe elektromos abszorpciós modulátorok, amelyek a SiGe (szilícium-germánium ötvözet) sávszél-mozgásán alapulnak. Ezenkívül vannak olyan grafén modulátorok is, amelyek a grafénre támaszkodnak az abszorbeáló fémek és az átlátszó szigetelők közötti váltásban. Ezek a különböző mechanizmusok alkalmazási lehetőségeinek sokszínűségét demonstrálják a nagy sebességű, alacsony veszteségű optikai jelmoduláció elérése érdekében.

10. ábra: (A) Különböző szilíciumalapú optikai modulátor-kialakítások keresztmetszeti ábrája és (B) optikai detektor-kialakítások keresztmetszeti ábrája.

A 10B. ábrán számos szilícium alapú fénydetektor látható. Az elnyelő anyag germánium (Ge). A Ge képes elnyelni a fényt körülbelül 1,6 mikron hullámhosszig. A bal oldalon látható a ma kereskedelmileg legsikeresebb tűs szerkezet. P-típusú adalékolású szilíciumból áll, amelyre Ge nő. A Ge és a Si rácseloszlása ​​4%-os, és a diszlokáció minimalizálása érdekében először egy vékony SiGe réteget növesztenek pufferrétegként. A Ge réteg tetején N-típusú adalékolást végeznek. Középen egy fém-félvezető-fém (MSM) fotodióda, míg egy APD (lavina fotodetektor) a jobb oldalon látható. Az APD lavina régiója Si-ben található, amelynek alacsonyabb zajjellemzői vannak a III-V. csoportú elemi anyagok lavina régiójához képest.

Jelenleg nincsenek olyan megoldások, amelyek nyilvánvaló előnyökkel járnának az optikai erősítés és a szilícium-fotonika integrálásában. A 11. ábra számos lehetséges opciót mutat be összeszerelési szint szerint csoportosítva. A bal szélen monolitikus integrációk láthatók, amelyek magukban foglalják az epitaxiálisan növesztett germánium (Ge) használatát optikai erősítő anyagként, az erbiummal adalékolt (Er) üveg hullámvezetőket (például Al2O3, amely optikai pumpálást igényel) és az epitaxiálisan növesztett gallium-arzenid (GaAs) kvantumpöttyöket. A következő oszlop a lapka-lapka összeszerelés, amely oxid és szerves kötést foglal magában a III-V csoport erősítési régiójában. A következő oszlop a chip-lapka összeszerelés, amely magában foglalja a III-V csoportú chip beágyazását a szilícium-lapka üregébe, majd a hullámvezető szerkezet megmunkálását. Ennek az első három oszlopos megközelítésnek az az előnye, hogy az eszköz teljes mértékben funkcionálisan tesztelhető a lapka belsejében a vágás előtt. A jobb szélső oszlop a chip-lapka összeszerelés, amely magában foglalja a szilícium-lapka chipek közvetlen csatlakoztatását a III-V csoportú chipekhez, valamint a lencséken és rácsos csatolókon keresztüli csatolást. A kereskedelmi alkalmazások felé mutató trend a diagram jobb oldaláról balra halad, az integráltabb és integráltabb megoldások felé.

11. ábra: Hogyan integrálódik az optikai erősítés a szilíciumalapú fotonikába. Balról jobbra haladva a gyártási beillesztési pont fokozatosan hátrál a folyamatban.