Silicio fotonikos aktyvusis elementas
Aktyvūs fotonikos komponentai yra konkrečiai susiję su sąmoningai sukurta dinamine šviesos ir materijos sąveika. Tipiškas aktyvus fotonikos komponentas yra optinis moduliatorius. Visas dabartinis silicio pagrinduoptiniai moduliatoriaiyra pagrįsti plazmos neturinčiu nešiklio efektu. Laisvųjų elektronų ir skylių skaičiaus keitimas silicio medžiagoje legiravimu, elektriniais arba optiniais metodais gali pakeisti jos sudėtingą lūžio rodiklį. Šis procesas parodytas (1,2) lygtyse, gautas suderinus Soref ir Bennett duomenis, kai bangos ilgis yra 1550 nanometrų. . Palyginti su elektronais, skylės sukelia didesnę tikrojo ir įsivaizduojamo lūžio rodiklio pokyčių dalį, tai yra, jos gali sukelti didesnį fazės pokytį tam tikram nuostolių pokyčiui, taigiMach-Zehnder moduliatoriaiir žiedinius moduliatorius, paprastai pageidautina naudoti skylesfazių moduliatoriai.
Įvairiossilicio (Si) moduliatoriustipai parodyti 10A paveiksle. Nešiklio įpurškimo moduliatoriuje šviesa yra vidiniame silicyje labai plačioje kaiščių sandūroje, o elektronai ir skylės įpurškiami. Tačiau tokie moduliatoriai yra lėtesni, paprastai 500 MHz dažnių juostos plotis, nes laisvieji elektronai ir skylės po injekcijos rekombinuojasi ilgiau. Todėl ši struktūra dažnai naudojama kaip kintamasis optinis slopintuvas (VOA), o ne moduliatorius. Nešiklio išeikvojimo moduliatoriuje šviesos dalis yra siauroje pn sandūroje, o pn sandūros išeikvojimo plotį keičia taikomas elektrinis laukas. Šis moduliatorius gali veikti didesniu nei 50Gb/s greičiu, tačiau turi didelius fono įterpimo nuostolius. Tipinis vpil yra 2 V-cm. Metalo oksido puslaidininkio (MOS) (iš tikrųjų puslaidininkio-oksido-puslaidininkio) moduliatoriuje pn sandūroje yra plonas oksido sluoksnis. Tai leidžia šiek tiek kaupti nešiklį, taip pat išeikvoti nešiklį, leidžiantį mažesnį VπL apie 0,2 V-cm, tačiau turi didesnių optinių nuostolių ir didesnės talpos ilgio vieneto trūkumą. Be to, yra SiGe elektros sugerties moduliatoriai, pagrįsti SiGe (silicio germanio lydinio) juostos kraštų judėjimu. Be to, yra grafeno moduliatorių, kurie priklauso nuo grafeno, kad perjungtų sugeriančius metalus ir skaidrius izoliatorius. Tai parodo įvairių mechanizmų pritaikymo įvairovę, kad būtų galima pasiekti didelės spartos, mažo nuostolio optinio signalo moduliaciją.
10 pav.: (A) įvairių silicio pagrindu pagamintų optinių moduliatorių konstrukcijų skerspjūvio diagrama ir (B) optinių detektorių konstrukcijų skerspjūvio diagrama.
10B paveiksle parodyti keli silicio pagrindu pagaminti šviesos detektoriai. Sugerianti medžiaga yra germanis (Ge). Ge gali sugerti šviesą iki maždaug 1,6 mikrono bangos ilgio. Kairėje pavaizduota komerciškai sėkmingiausia smeigtukų struktūra šiandien. Jis sudarytas iš P tipo legiruoto silicio, ant kurio auga Ge. Ge ir Si turi 4% gardelės neatitikimą, o siekiant sumažinti dislokaciją, plonas SiGe sluoksnis pirmiausia auginamas kaip buferinis sluoksnis. N tipo dopingas atliekamas Ge sluoksnio viršuje. Metalo puslaidininkio metalo (MSM) fotodiodas parodytas viduryje, o APD (Lavinos Fotodetektorius) rodomas dešinėje. Lavinos regionas APD yra Si, kurio triukšmo charakteristikos yra mažesnės, palyginti su lavinų regionu III-V grupės elementinėse medžiagose.
Šiuo metu nėra sprendimų, turinčių akivaizdžių pranašumų integruojant optinį stiprinimą su silicio fotonika. 11 paveiksle pavaizduoti keli galimi variantai, suskirstyti pagal surinkimo lygį. Kairėje pusėje yra monolitinės integracijos, apimančios epitaksiniu būdu išauginto germanio (Ge) naudojimą kaip optinio stiprinimo medžiagą, erbiu legiruotus (Er) stiklo bangolaidžius (pvz., Al2O3, kuriam reikia optinio siurbimo) ir epitaksiniu būdu išauginto galio arsenido (GaAs). ) kvantiniai taškai. Kitas stulpelis yra plokštelės ir plokštelės surinkimas, apimantis oksidą ir organinį ryšį III-V grupės stiprinimo srityje. Kitas stulpelis yra lusto ir plokštelės surinkimas, kuris apima III-V grupės lusto įterpimą į silicio plokštelės ertmę ir bangolaidžio struktūros apdirbimą. Šio pirmųjų trijų stulpelių metodo pranašumas yra tas, kad prieš pjaustant prietaisą galima visiškai išbandyti plokštelės viduje. Dešinėje pusėje esantis stulpelis yra lustų sujungimas, įskaitant tiesioginį silicio lustų sujungimą su III-V grupės lustais, taip pat sujungimą per objektyvą ir grotelių jungtis. Komercinių programų tendencija juda iš dešinės į kairę diagramos pusę link labiau integruotų ir integruotų sprendimų.
11 pav. Kaip optinis stiprinimas integruojamas į silicio fotoniką. Kai judate iš kairės į dešinę, gamybos įterpimo taškas palaipsniui juda atgal.
Paskelbimo laikas: 2024-07-22