Silicio fotonikos aktyvusis elementas
Fotonikos aktyvieji komponentai reiškia specialiai sukurtą dinaminę šviesos ir materijos sąveiką. Tipiškas aktyvus fotonikos komponentas yra optinis moduliatorius. Visi dabartiniai silicio pagrindu pagamintioptiniai moduliatoriaiyra pagrįsti plazmos laisvojo krūvininko efektu. Keičiant laisvųjų elektronų ir skylių skaičių silicio medžiagoje legiravimo, elektriniais arba optiniais metodais, galima pakeisti jos kompleksinį lūžio rodiklį – procesą, parodytą (1, 2) lygtyse, gautose pritaikius Soref ir Bennett duomenis, esant 1550 nanometrų bangos ilgiui. Palyginti su elektronais, skylės sukelia didesnę realiųjų ir įsivaizduojamųjų lūžio rodiklio pokyčių dalį, t. y. jos gali sukelti didesnį fazės pokytį esant tam tikram nuostolių pokyčiui, taigiMacho-Zehnderio moduliatoriaiir žiedinių moduliatorių atveju paprastai pageidautina naudoti skylesfazės moduliatoriai.
Įvairūssilicio (Si) moduliatoriusTipai parodyti 10A paveiksle. Nešėjų įpurškimo moduliatoriuje šviesa yra vidiniame silicyje, labai plačioje kontaktinėje jungtyje, o elektronai ir skylės yra įpurškiami. Tačiau tokie moduliatoriai yra lėtesni, paprastai jų dažnių juostos plotis yra 500 MHz, nes laisvieji elektronai ir skylės po įpurškimo rekombinuojasi ilgiau. Todėl ši struktūra dažnai naudojama kaip kintamas optinis slopintuvas (VOA), o ne moduliatorius. Nešėjų išeikvojimo moduliatoriuje šviesos dalis yra siauroje pn jungtyje, o pn jungties išeikvojimo plotis keičiamas veikiant elektriniam laukui. Šis moduliatorius gali veikti didesniu nei 50 Gb/s greičiu, tačiau turi didelius foninius įterpimo nuostolius. Tipinis vpil yra 2 V-cm. Metalo oksido puslaidininkinis (MOS) (iš tikrųjų puslaidininkis-oksidas-puslaidininkis) moduliatorius turi ploną oksido sluoksnį pn jungtyje. Jis leidžia tam tikrą krūvininkų kaupimąsi, taip pat krūvininkų išeikvojimą, todėl sumažėja VπL, maždaug 0,2 V-cm, tačiau turi trūkumą – didesnius optinius nuostolius ir didesnę talpą ilgio vienetui. Be to, yra SiGe elektros sugerties moduliatorių, pagrįstų SiGe (silicio germanio lydinio) juostos krašto judėjimu. Taip pat yra grafeno moduliatorių, kurie naudoja grafeną, kad perjungtų tarp sugeriančių metalų ir skaidrių izoliatorių. Tai demonstruoja skirtingų mechanizmų taikymo įvairovę, siekiant greito ir mažo nuostolio optinio signalo moduliavimo.
10 pav.: (A) Įvairių silicio pagrindo optinių moduliatorių konstrukcijų skerspjūvio diagrama ir (B) optinių detektorių konstrukcijų skerspjūvio diagrama.
10B paveiksle parodyti keli silicio pagrindu pagaminti šviesos detektoriai. Absorbuojanti medžiaga yra germanis (Ge). Ge gali sugerti šviesą, kurios bangos ilgis yra iki maždaug 1,6 mikrono. Kairėje pusėje parodyta šiandien komerciškai sėkmingiausia kontaktų struktūra. Ją sudaro P tipo legiruotas silicis, ant kurio auga Ge. Ge ir Si turi 4 % gardelės neatitikimą, todėl siekiant sumažinti dislokaciją, pirmiausia auginamas plonas SiGe sluoksnis kaip buferinis sluoksnis. N tipo legiravimas atliekamas ant Ge sluoksnio viršaus. Viduryje parodytas metalo-puslaidininkio-metalo (MSM) fotodiodas, o APD (lavinos fotodetektorius) parodyta dešinėje. APD lavinos regionas yra Si, kuris pasižymi mažesnėmis triukšmo charakteristikomis, palyginti su lavinos regionu III-V grupės elementinėse medžiagose.
Šiuo metu nėra sprendimų, kurie turėtų akivaizdžių pranašumų integruojant optinį stiprinimą su silicio fotonika. 11 paveiksle parodyti keli galimi variantai, suskirstyti pagal surinkimo lygį. Kairėje pusėje pateikti monolitiniai integravimai, apimantys epitaksiškai auginamo germanio (Ge) naudojimą kaip optinio stiprinimo medžiagą, erbiu legiruotus (Er) stiklo bangolaidžius (pvz., Al2O3, kuriems reikalingas optinis pumpavimas) ir epitaksiškai auginamus galio arsenido (GaAs) kvantinius taškus. Kitas stulpelis yra plokštelių surinkimas, apimantis oksido ir organinius ryšius III-V grupės stiprinimo srityje. Kitas stulpelis yra lustų surinkimas, apimantis III-V grupės lustų įterpimą į silicio plokštelės ertmę ir bangolaidžio struktūros apdirbimą. Šio pirmųjų trijų stulpelių metodo privalumas yra tas, kad prieš pjaustant įrenginį galima visiškai išbandyti jo funkcionalumą plokštelės viduje. Dešinysis stulpelis yra lustų surinkimas, įskaitant tiesioginį silicio lustų sujungimą su III-V grupės lustais, taip pat sujungimą per lęšius ir gardelių jungtis. Komercinių taikymų tendencija juda iš dešinės į kairę diagramos pusę, link labiau integruotų ir integruotų sprendimų.
11 pav.: Kaip optinis stiprinimas integruojamas į silicio pagrindu pagamintą fotoniką. Judant iš kairės į dešinę, gamybos įterpimo taškas palaipsniui juda atgal procese.
Įrašo laikas: 2024 m. liepos 22 d.