Активный элемент кремниевой фотоники
Активные компоненты фотоники относятся конкретно к целенаправленно разработанным динамическим взаимодействиям между светом и материей. Типичным активным компонентом фотоники является оптический модулятор. Все современные компоненты на основе кремнияоптические модуляторыОни основаны на эффекте свободных носителей заряда в плазме. Изменение количества свободных электронов и дырок в кремниевом материале путем легирования, электрических или оптических методов может изменить его комплексный показатель преломления, процесс, показанный в уравнениях (1,2), полученных путем подгонки данных Сорефа и Беннета на длине волны 1550 нанометров. По сравнению с электронами, дырки вызывают большую долю изменений действительной и мнимой частей показателя преломления, то есть они могут вызвать большее изменение фазы при заданном изменении потерь, поэтому вМодуляторы Маха-ЦендераДля изготовления кольцевых модуляторов обычно предпочтительнее использовать отверстия.фазовые модуляторы.
Различныекремниевый (Si) модуляторТипы показаны на рисунке 10А. В модуляторе с инжекцией носителей свет локализуется в собственном кремнии внутри очень широкого p-n перехода, и в него инжектируются электроны и дырки. Однако такие модуляторы работают медленнее, обычно с полосой пропускания 500 МГц, поскольку свободным электронам и дыркам требуется больше времени для рекомбинации после инжекции. Поэтому эта структура часто используется в качестве переменного оптического аттенюатора (VOA), а не модулятора. В модуляторе с истощением носителей световая часть локализуется в узком p-n переходе, а ширина истощения p-n перехода изменяется приложенным электрическим полем. Этот модулятор может работать со скоростью более 50 Гбит/с, но имеет высокие фоновые потери на входе. Типичная амплитуда импульса составляет 2 В·см. Модулятор на основе металлооксидного полупроводника (MOS) (фактически полупроводник-оксид-полупроводник) содержит тонкий слой оксида в p-n переходе. Это позволяет как накапливать, так и истощать носители заряда, что приводит к меньшему значению VπL около 0,2 В·см, но имеет недостаток в виде более высоких оптических потерь и большей емкости на единицу длины. Кроме того, существуют модуляторы электрического поглощения на основе SiGe, использующие перемещение краев зон SiGe (сплава кремния и германия). Также существуют модуляторы на основе графена, которые используют графен для переключения между поглощающими металлами и прозрачными изоляторами. Это демонстрирует разнообразие применений различных механизмов для достижения высокоскоростной модуляции оптического сигнала с низкими потерями.
Рисунок 10: (A) Схема поперечного сечения различных конструкций оптических модуляторов на основе кремния и (B) схема поперечного сечения конструкций оптических детекторов.
На рисунке 10B показаны несколько кремниевых детекторов света. Поглощающим материалом является германий (Ge). Ge способен поглощать свет на длинах волн до примерно 1,6 микрон. Слева показана наиболее коммерчески успешная на сегодняшний день структура p-n. Она состоит из легированного p-типом кремния, на котором выращивается Ge. Ge и Si имеют 4% несоответствие кристаллических решеток, и для минимизации дислокаций сначала выращивается тонкий слой SiGe в качестве буферного слоя. Легирование n-типом выполняется поверх слоя Ge. В середине показан фотодиод металл-полупроводник-металл (MSM), а также лавинный фотодиод (APD).лавинный фотодетектор) показано справа. Область лавинного пробоя в APD расположена в кремнии, который обладает более низкими шумовыми характеристиками по сравнению с областью лавинного пробоя в элементарных материалах групп III-V.
В настоящее время не существует решений с очевидными преимуществами в интеграции оптического усиления с кремниевой фотоникой. На рисунке 11 показаны несколько возможных вариантов, организованных по уровню сборки. В крайнем левом углу представлены монолитные интеграции, включающие использование эпитаксиально выращенного германия (Ge) в качестве материала для оптического усиления, волноводов из легированного эрбием (Er) стекла (например, Al2O3, требующего оптической накачки) и эпитаксиально выращенных квантовых точек арсенида галлия (GaAs). Следующий столбец — это сборка пластина к пластине, включающая оксидное и органическое соединение в области усиления III-V групп. Следующий столбец — это сборка чипа к пластине, которая включает в себя встраивание чипа III-V группы в полость кремниевой пластины и последующую обработку волноводной структуры. Преимущество этого подхода, состоящего из трех столбцов, заключается в том, что устройство может быть полностью протестировано внутри пластины до резки. В крайнем правом столбце представлена сборка микросхем, включая прямое соединение кремниевых микросхем с микросхемами из соединений III-V групп, а также соединение через линзовые и решетчатые соединители. Тенденция к коммерческим приложениям смещается справа налево по диаграмме в сторону более интегрированных и комплексных решений.
Рисунок 11: Как оптическое усиление интегрируется в кремниевую фотонику. При движении слева направо точка ввода в процессе производства постепенно смещается назад.
Дата публикации: 22 июля 2024 г.