Активный элемент кремниевой фотоники
Активные компоненты фотоники относятся конкретно к намеренно разработанным динамическим взаимодействиям между светом и материей. Типичный активный компонент фотоники — оптический модулятор. Все текущие кремниевыеоптические модуляторыоснованы на эффекте свободных носителей плазмы. Изменение числа 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 от Сорефа и Беннета на длине волны 1550 нанометров. По сравнению с электронами, дырки вызывают большую долю действительных и мнимых изменений показателя преломления, то есть они могут производить большее изменение фазы для заданного изменения потерь, поэтому вМодуляторы Маха-Цендераи кольцевых модуляторов, обычно предпочитают использовать отверстия, чтобы сделатьфазовые модуляторы.
Различныекремниевый (Si) модулятортипы показаны на рисунке 10A. В модуляторе с инжекцией носителей свет находится в собственном кремнии в очень широком штыревом переходе, и инжектируются электроны и дырки. Однако такие модуляторы медленнее, обычно с полосой пропускания 500 МГц, поскольку свободным электронам и дыркам требуется больше времени для рекомбинации после инжекции. Поэтому эта структура часто используется как переменный оптический аттенюатор (VOA), а не модулятор. В модуляторе с истощением носителей световая часть находится в узком pn-переходе, а ширина обеднения pn-перехода изменяется приложенным электрическим полем. Этот модулятор может работать на скоростях, превышающих 50 Гбит/с, но имеет высокие фоновые вносимые потери. Типичное значение vpil составляет 2 В·см. Модулятор металл-оксид-полупроводник (МОП) (фактически полупроводник-оксид-полупроводник) содержит тонкий оксидный слой в pn-переходе. Он допускает некоторое накопление носителей, а также истощение носителей, что позволяет уменьшить VπL примерно до 0,2 В-см, но имеет недостаток в виде более высоких оптических потерь и более высокой емкости на единицу длины. Кроме того, существуют SiGe-электрические модуляторы поглощения, основанные на движении края зоны SiGe (сплав кремния и германия). Кроме того, существуют графеновые модуляторы, которые используют графен для переключения между поглощающими металлами и прозрачными изоляторами. Они демонстрируют разнообразие применений различных механизмов для достижения высокоскоростной модуляции оптического сигнала с низкими потерями.
Рисунок 10: (A) Поперечная диаграмма сечения различных конструкций оптических модуляторов на основе кремния и (B) Поперечная диаграмма сечения конструкций оптических детекторов.
Несколько детекторов света на основе кремния показаны на рисунке 10B. Поглощающим материалом является германий (Ge). Ge способен поглощать свет на длинах волн до 1,6 микрон. Слева показана наиболее коммерчески успешная на сегодняшний день структура штырей. Она состоит из легированного кремния P-типа, на котором растет Ge. Ge и Si имеют 4% несоответствие решеток, и для того, чтобы минимизировать дислокацию, сначала выращивается тонкий слой SiGe в качестве буферного слоя. Легирование N-типа выполняется поверх слоя Ge. Фотодиод металл-полупроводник-металл (MSM) показан в середине, а APD (Фотодетектор лавины) показано справа. Область лавины в APD расположена в Si, который имеет более низкие шумовые характеристики по сравнению с областью лавины в элементарных материалах группы III-V.
В настоящее время нет решений с очевидными преимуществами в интеграции оптического усиления с кремниевой фотоникой. На рисунке 11 показано несколько возможных вариантов, организованных по уровню сборки. Слева представлены монолитные интеграции, включающие использование эпитаксиально выращенного германия (Ge) в качестве материала оптического усиления, стеклянных волноводов, легированных эрбием (Er) (например, Al2O3, для которых требуется оптическая накачка) и эпитаксиально выращенных квантовых точек арсенида галлия (GaAs). Следующий столбец — сборка пластина-пластина, включающая оксидные и органические связи в области усиления группы III-V. Следующий столбец — сборка кристалла-пластины, которая включает в себя встраивание кристалла группы III-V в полость кремниевой пластины и последующую обработку структуры волновода. Преимущество этого подхода из первых трех столбцов заключается в том, что устройство может быть полностью функционально протестировано внутри пластины перед резкой. Самый правый столбец — сборка чипа в чип, включая прямое соединение кремниевых чипов с чипами группы III-V, а также соединение через линзовые и решетчатые соединители. Тенденция к коммерческим приложениям перемещается с правой стороны диаграммы в левую сторону в сторону более интегрированных и комплексных решений.
Рисунок 11: Как оптическое усиление интегрируется в кремниевую фотонику. По мере продвижения слева направо точка вставки производства постепенно перемещается назад в процессе.
Время публикации: 22 июля 2024 г.