Silīcija fotonikas aktīvais elements

Silīcija fotonikas aktīvais elements

Fotonikas aktīvie komponenti īpaši attiecas uz apzināti izstrādātu dinamisku mijiedarbību starp gaismu un matēriju. Tipiska fotonikas aktīvā sastāvdaļa ir optiskais modulators. Viss pašreizējais uz silīcija bāzesoptiskie modulatoriir balstīti uz plazmas brīvā nesēja efektu. Brīvo elektronu un caurumu skaita maiņa silīcija materiālā ar dopinga, elektriskām vai optiskām metodēm var mainīt tā komplekso refrakcijas indeksu, process parādīts vienādojumos (1,2), kas iegūts, pielāgojot Soref un Bennett datus pie viļņa garuma 1550 nanometri. . Salīdzinot ar elektroniem, caurumi izraisa lielāku reālo un iedomāto refrakcijas koeficienta izmaiņu daļu, tas ir, tie var radīt lielākas fāzes izmaiņas noteiktām zudumu izmaiņām, tāpēcMach-Zehnder modulatoriun gredzenveida modulatoriem, parasti ir vēlams izmantot caurumusfāzes modulatori.

Dažādiesilīcija (Si) modulatorsveidi ir parādīti 10.A attēlā. Nesēja iesmidzināšanas modulatorā gaisma atrodas iekšējā silīcijā ļoti plašā tapu savienojumā, un tiek ievadīti elektroni un caurumi. Tomēr šādi modulatori ir lēnāki, parasti ar joslas platumu 500 MHz, jo brīvo elektronu un caurumu rekombinācija pēc injekcijas prasa ilgāku laiku. Tāpēc šo struktūru bieži izmanto kā mainīgu optisko vājinātāju (VOA), nevis modulatoru. Nesēja noplicināšanas modulatorā gaismas daļa atrodas šaurā pn krustojumā, un pn savienojuma izsīkuma platumu maina pielietotais elektriskais lauks. Šis modulators var darboties ar ātrumu, kas pārsniedz 50 Gb/s, bet tam ir liels fona ievietošanas zudums. Tipiskā vpil ir 2 V-cm. Metāla oksīda pusvadītāja (MOS) (faktiski pusvadītāja-oksīda-pusvadītāja) modulators satur plānu oksīda slāni pn savienojumā. Tas pieļauj zināmu nesēja uzkrāšanos, kā arī nesēja izsīkumu, pieļaujot mazāku VπL aptuveni 0,2 V-cm, taču tam ir lielāki optiskie zudumi un lielāka kapacitāte uz garuma vienību. Turklāt ir SiGe elektriskās absorbcijas modulatori, kuru pamatā ir SiGe (silīcija germānija sakausējums) joslas malu kustība. Turklāt ir grafēna modulatori, kas paļaujas uz grafēnu, lai pārslēgtos starp absorbējošiem metāliem un caurspīdīgiem izolatoriem. Tie parāda dažādu mehānismu pielietojumu daudzveidību, lai panāktu ātrdarbīgu, zemu zudumu optiskā signāla modulāciju.

10. attēls: (A) dažādu uz silīcija bāzes veidotu optisko modulatoru konstrukciju šķērsgriezuma diagramma un (B) optisko detektoru konstrukciju šķērsgriezuma diagramma.

Vairāki uz silīcija bāzes izgatavoti gaismas detektori ir parādīti 10.B attēlā. Absorbējošais materiāls ir germānija (Ge). Ge spēj absorbēt gaismu viļņu garumā līdz aptuveni 1,6 mikroniem. Kreisajā pusē ir redzama mūsdienu komerciāli veiksmīgākā tapas struktūra. Tas sastāv no P tipa leģēta silīcija, uz kura aug Ge. Ge un Si ir 4% režģa neatbilstība, un, lai samazinātu dislokāciju, plāns SiGe slānis vispirms tiek audzēts kā bufera slānis. N-veida dopings tiek veikts Ge slāņa augšpusē. Metāla pusvadītāja metāla (MSM) fotodiode ir parādīta vidū, un APD (lavīna Fotodetektors) ir parādīts labajā pusē. APD lavīnu reģions atrodas Si, kam ir zemākas trokšņa īpašības, salīdzinot ar lavīnu reģionu III-V grupas elementārajos materiālos.

Pašlaik nav risinājumu ar acīmredzamām priekšrocībām optiskā pastiprinājuma integrēšanā ar silīcija fotoniku. 11. attēlā parādītas vairākas iespējamās iespējas, kas sakārtotas pēc montāžas līmeņa. Kreisajā malā ir monolītas integrācijas, kas ietver epitaksiāli audzēta germānija (Ge) izmantošanu kā optiskā pastiprinājuma materiālu, ar erbiju leģētu (Er) stikla viļņvadus (piemēram, Al2O3, kam nepieciešama optiskā sūknēšana) un epitaksiāli audzēta gallija arsenīda (GaAs) izmantošanu. ) kvantu punkti. Nākamā kolonna ir vafeļu montāža, kas ietver oksīdu un organisko savienojumu III-V grupas pastiprināšanas reģionā. Nākamā kolonna ir mikroshēmas-plāksnītes montāža, kas ietver III-V grupas mikroshēmas iegulšanu silīcija vafeles dobumā un pēc tam viļņvada struktūras apstrādi. Šīs pirmo trīs kolonnu pieejas priekšrocība ir tāda, ka ierīci var pilnībā pārbaudīt vafeles iekšpusē pirms griešanas. Vislabākā kolonna ir mikroshēmu montāža, ieskaitot tiešu silīcija mikroshēmu savienošanu ar III-V grupas mikroshēmām, kā arī savienojumu, izmantojot lēcas un režģa savienotājus. Tendence uz komerciālām lietojumprogrammām virzās no diagrammas labās puses uz kreiso pusi uz integrētākiem un integrētākiem risinājumiem.

11. attēls. Kā optiskais pastiprinājums tiek integrēts fotonikā uz silīcija bāzes. Pārvietojoties no kreisās puses uz labo, ražošanas ievietošanas punkts procesā pakāpeniski pārvietojas atpakaļ.