Кремнієвий фотонічний активний елемент
Активні компоненти фотоніки стосуються спеціально розробленої динамічної взаємодії між світлом і матерією. Типовим активним компонентом фотоніки є оптичний модулятор. Усі поточні на основі кремніюоптичні модуляторизасновані на ефекті вільного носія плазми. Зміна кількості вільних електронів і дірок у кремнієвому матеріалі за допомогою допування, електричних або оптичних методів може змінити його комплексний показник заломлення, процес, показаний у рівняннях (1,2), отриманих підгонкою даних Сорефа та Беннетта на довжині хвилі 1550 нанометрів . Порівняно з електронами, дірки викликають більшу частку реальних і уявних змін показника заломлення, тобто вони можуть викликати більшу зміну фази для певної зміни втрат, тому вМодулятори Маха-Цендераі кільцевих модуляторів, для виготовлення зазвичай краще використовувати отворифазові модулятори.
Різнікремнієвий (Si) модулятортипи показані на малюнку 10A. У модуляторі з інжекцією носіїв світло знаходиться у власному кремнії в дуже широкому штифтовому переході, а електрони та дірки інжектуються. Однак такі модулятори повільніші, як правило, із смугою пропускання 500 МГц, оскільки вільним електронам і діркам потрібно більше часу для рекомбінації після інжекції. Тому ця структура часто використовується як змінний оптичний аттенюатор (VOA), а не модулятор. У модуляторі збіднення носіїв світла частина розташована у вузькому pn-переході, а ширина збіднення pn-переходу змінюється прикладеним електричним полем. Цей модулятор може працювати на швидкостях, що перевищують 50 Гбіт/с, але має високі фонові внесені втрати. Типовий vpil становить 2 В-см. Металооксидний напівпровідник (MOS) (фактично напівпровідник-оксид-напівпровідник) модулятор містить тонкий оксидний шар у pn-переході. Це дозволяє деяке накопичення носіїв, а також їх виснаження, дозволяючи менший VπL приблизно 0,2 В-см, але має недолік більших оптичних втрат і більшої ємності на одиницю довжини. Крім того, існують модулятори електричного поглинання SiGe, засновані на переміщенні країв смуги SiGe (кремнієвий германієвий сплав). Крім того, існують графенові модулятори, які покладаються на графен для перемикання між поглинаючими металами та прозорими ізоляторами. Вони демонструють різноманітність застосувань різних механізмів для досягнення високошвидкісної модуляції оптичного сигналу з низькими втратами.
Рисунок 10: (A) Діаграма поперечного перерізу різних конструкцій оптичного модулятора на основі кремнію та (B) Діаграма поперечного перерізу конструкцій оптичного детектора.
Кілька кремнієвих детекторів світла показано на малюнку 10B. Поглинаючим матеріалом є германій (Ge). Ge здатний поглинати світло на довжині хвилі приблизно до 1,6 мікрон. Ліворуч показана найбільш комерційно успішна структура штифтів на сьогодні. Він складається з легованого кремнію P-типу, на якому росте Ge. Ge і Si мають 4% невідповідність граток, і щоб мінімізувати дислокацію, спочатку вирощують тонкий шар SiGe як буферний шар. Легування N-типу виконується поверх шару Ge. Фотодіод метал-напівпровідник-метал (MSM) показано посередині, а APD (лавинний фотодетектор) показано праворуч. Лавинна область в APD розташована в Si, який має нижчі шумові характеристики порівняно з лавинною областю в елементарних матеріалах групи III-V.
На даний момент немає рішень з очевидними перевагами в інтеграції оптичного посилення з кремнієвою фотонікою. На малюнку 11 показано кілька можливих варіантів, упорядкованих за рівнем складання. Далеко ліворуч розташовані монолітні інтеграції, які включають використання епітаксійно вирощеного германію (Ge) як матеріалу для оптичного підсилення, легованих ербієм (Er) скляних хвилеводів (таких як Al2O3, що вимагає оптичного накачування) та епітаксійно вирощеного арсеніду галію (GaAs ) квантові точки. Наступний стовпець — це збірка між пластинами, що включає оксидні та органічні зв’язки в області підсилення групи III-V. Наступна колонка — збірка кристала з пластиною, яка передбачає вбудовування мікросхеми груп III-V у порожнину кремнієвої пластини з подальшою механічною обробкою хвилевідної структури. Перевага цього підходу з першими трьома колонками полягає в тому, що пристрій можна повністю перевірити на працездатність всередині пластини перед розрізанням. Крайній правий стовпець — це збірка чіп-чіп, включаючи пряме з’єднання кремнієвих чіпів із чіпами групи III-V, а також з’єднання за допомогою лінзових і ґраткових сполучників. Тенденція до комерційних додатків рухається від правої до лівої частини діаграми до більш інтегрованих та комплексних рішень.
Малюнок 11: Як оптичне посилення інтегровано в фотоніку на основі кремнію. У міру того, як ви рухаєтеся зліва направо, виробнича точка вставки поступово повертається назад у процесі.
Час публікації: 22 липня 2024 р