Кремниевый фотонный активный элемент
Активные компоненты фотоники относятся к специально разработанным динамическим взаимодействиям света и вещества. Типичным активным компонентом фотоники является оптический модулятор. Все современные кремниевые компонентыоптические модуляторыоснованы на эффекте свободных носителей заряда в плазме. Изменение числа свободных электронов и дырок в кремниевом материале путем легирования, электрических или оптических методов может изменить его комплексный показатель преломления, что отражено в уравнениях (1, 2), полученных путем подгонки данных Сорефа и Беннетта на длине волны 1550 нм. По сравнению с электронами, дырки вызывают большую долю изменений действительного и мнимого показателя преломления, то есть они могут вызывать большее изменение фазы при заданном изменении потерь, поэтомуМодуляторы Маха-Цендераи кольцевых модуляторов, обычно предпочитают использовать отверстия, чтобы сделатьфазовые модуляторы.
Различныекремниевый (Si) модуляторТипы показаны на рисунке 10А. В инжекционном модуляторе свет локализован в собственном кремнии в очень широком pin-переходе, куда 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 обеднением носителей заряда световая часть локализована в узком p-n-переходе, а ширина обеднения p-n-перехода изменяется приложенным электрическим полем. Этот модулятор может работать на скоростях более 50 Гбит/с, но имеет высокие фоновые вносимые потери. Типичное значение vpil составляет 2 В·см. Металлооксидный полупроводник (МОП) (фактически полупроводник-оксид-полупроводник) модулятор содержит тонкий оксидный слой в p-n-переходе. Он допускает как накопление, так и истощение носителей заряда, что позволяет уменьшить VπL до 0,2 В·см, но имеет недостатки, связанные с более высокими оптическими потерями и большей емкостью на единицу длины. Кроме того, существуют SiGe-модуляторы поглощения, основанные на движении края зоны SiGe (сплав кремния с германием). Кроме того, существуют графеновые модуляторы, в которых графен используется для переключения между поглощающими металлами и прозрачными изоляторами. Они демонстрируют разнообразие применений различных механизмов для достижения высокоскоростной модуляции оптического сигнала с малыми потерями.
Рисунок 10: (A) Поперечная диаграмма сечения различных конструкций оптических модуляторов на основе кремния и (B) Поперечная диаграмма сечения конструкций оптических детекторов.
На рисунке 10B показано несколько кремниевых детекторов света. Поглощающим материалом является германий (Ge). Ge способен поглощать свет с длинами волн вплоть до 1,6 мкм. Слева показана наиболее коммерчески успешная на сегодняшний день структура pin. Она состоит из легированного кремния p-типа, на котором растет Ge. Ge и Si имеют 4%-ное рассогласование параметров решеток, и для минимизации дислокаций сначала выращивается тонкий слой SiGe в качестве буферного слоя. Легирование n-типа осуществляется поверх слоя Ge. Фотодиод металл-полупроводник-металл (МПМ) показан в центре, а лавинный фотодиод (APD)лавинный фотодетектор) показано справа. Область лавинного пробоя в APD расположена в Si, который обладает более низкими шумовыми характеристиками по сравнению с областью лавинного пробоя в материалах III-V групп.
В настоящее время не существует решений с очевидными преимуществами в интеграции оптического усиления с кремниевой фотоникой. На рисунке 11 показано несколько возможных вариантов, организованных по уровню сборки. Крайний левый крайний столбец представляет собой монолитную интеграцию, которая включает использование эпитаксиально выращенного германия (Ge) в качестве материала оптического усиления, стеклянных волноводов, легированных эрбием (Er) (например, Al2O3, требующих оптической накачки), и эпитаксиально выращенных квантовых точек арсенида галлия (GaAs). Следующий столбец представляет собой сборку пластина к пластине, включающую оксидные и органические связи в области усиления элементов группы III-V. Следующий столбец представляет собой сборку кристалла к пластине, которая включает в себя встраивание кристалла группы III-V в полость кремниевой пластины и последующую обработку волноводной структуры. Преимущество этого первого трехколоночного подхода заключается в том, что устройство может быть полностью протестировано на функциональность внутри пластины перед резкой. Крайний правый столбец отображает сборку кристаллов, включая прямое соединение кремниевых кристаллов с кристаллами элементов групп III-V, а также соединение через линзовые и решеточные соединители. Тенденция к коммерческому применению смещается от правой стороны диаграммы к левой в сторону более интегрированных и интегрированных решений.
Рисунок 11: Как оптическое усиление интегрируется в кремниевую фотонику. При движении слева направо точка ввода в производственный процесс постепенно смещается назад.
Время публикации: 22 июля 2024 г.