Активний елемент кремнієвої фотоніки
Активні компоненти фотоніки стосуються саме спеціально розроблених динамічних взаємодій між світлом і речовиною. Типовим активним компонентом фотоніки є оптичний модулятор. Усі сучасні кремнієві компоненти...оптичні модуляторибазуються на ефекті вільних носіїв заряду в плазмі. Зміна кількості вільних електронів і дірок у кремнієвому матеріалі шляхом легування, електричних або оптичних методів може змінити його комплексний показник заломлення, процес, показаний у рівняннях (1,2), отриманих шляхом апроксимації даних Сорефа та Беннета на довжині хвилі 1550 нанометрів. Порівняно з електронами, дірки спричиняють більшу частку змін дійсного та уявного показника заломлення, тобто вони можуть створювати більшу зміну фази для заданої зміни втрат, тому вМодулятори Маха-Цендераі кільцеві модулятори, зазвичай перевагу надають використанню отворів для створенняфазові модулятори.
Різнікремнієвий (Si) модуляторТипи показано на рисунку 10A. У модуляторі з інжекцією носіїв заряду світло знаходиться у власному кремнії в межах дуже широкого пін-переходу, і інжектуються електрони та дірки. Однак такі модулятори повільніші, зазвичай мають смугу пропускання 500 МГц, оскільки вільним електронам і діркам потрібно більше часу для рекомбінації після інжекції. Тому ця структура часто використовується як змінний оптичний атенюатор (VOA), а не як модулятор. У модуляторі зі збідненням носіїв заряду світлова частина розташована у вузькому p-n переході, а ширина збіднення p-n переходу змінюється прикладеним електричним полем. Цей модулятор може працювати зі швидкостями понад 50 Гбіт/с, але має високі фонові втрати на внесення. Типове значення vpil становить 2 В·см. Модулятор метал-оксид-напівпровідник (MOS) (фактично напівпровідник-оксид-напівпровідник) містить тонкий шар оксиду в p-n переході. Це дозволяє деяке накопичення носіїв, а також збіднення носіїв, що дозволяє зменшити VπL приблизно 0,2 В·см, але має недолік у вигляді вищих оптичних втрат і вищої ємності на одиницю довжини. Крім того, існують модулятори електричного поглинання SiGe на основі руху краю зони SiGe (кремній-германієвий сплав). Крім того, існують графенові модулятори, які використовують графен для перемикання між поглинаючими металами та прозорими ізоляторами. Це демонструє різноманітність застосувань різних механізмів для досягнення високошвидкісної модуляції оптичного сигналу з низькими втратами.
Рисунок 10: (A) Діаграма поперечного перерізу різних конструкцій оптичних модуляторів на основі кремнію та (B) діаграма поперечного перерізу конструкцій оптичних детекторів.
На рисунку 10B показано кілька кремнієвих детекторів світла. Поглинальним матеріалом є германій (Ge). Ge здатний поглинати світло на довжинах хвиль приблизно до 1,6 мікрона. Ліворуч показано найкомерційніше успішну на сьогодні штифтову структуру. Вона складається з легованого кремнію P-типу, на якому росте Ge. Ge та Si мають 4% невідповідність кристалічних решіток, і для мінімізації дислокацій спочатку вирощують тонкий шар SiGe як буферний шар. Легування N-типу виконується на верхній частині шару Ge. Фотодіод метал-напівпровідник-метал (MSM) показано посередині, а лавинний фотодіод (APD)лавинний фотодетектор) показано праворуч. Область лавини в APD розташована в Si, який має нижчі шумові характеристики порівняно з областю лавини в елементарних матеріалах III-V груп.
Наразі немає рішень з очевидними перевагами в інтеграції оптичного посилення з кремнієвою фотонікою. На рисунку 11 показано кілька можливих варіантів, організованих за рівнем складання. У крайньому лівому куті розташовані монолітні інтеграції, що включають використання епітаксіально вирощеного германію (Ge) як матеріалу для оптичного посилення, легованих ербієм (Er) скляних хвилеводів (таких як Al2O3, що вимагає оптичного накачування) та епітаксіально вирощених квантових точок з арсеніду галію (GaAs). Наступний стовпець – це складання пластини на пластину, що включає оксидні та органічні зв'язки в області посилення III-V групи. Наступний стовпець – це складання чіп-пластина, яке включає вбудовування чіпа III-V групи в порожнину кремнієвої пластини, а потім механічну обробку структури хвилеводу. Перевагою цього підходу з перших трьох стовпців є те, що пристрій можна повністю функціонально протестувати всередині пластини перед різанням. Крайній правий стовпець – це складання чіп-пластина, включаючи пряме з'єднання кремнієвих чіпів з чіпами III-V групи, а також з'єднання через лінзові та ґраткові з'єднувачі. Тенденція до комерційних застосувань рухається з правого боку діаграми на лівий, у напрямку більш інтегрованих та комплексних рішень.
Рисунок 11: Як оптичне посилення інтегровано у фотоніку на основі кремнію. Рухаючись зліва направо, точка вставки у виробництві поступово зміщується назад у процесі.
Час публікації: 22 липня 2024 р.