Активный элемент кремниевой фотоники
Активные компоненты фотоники относятся конкретно к специально разработанным динамическим взаимодействиям между светом и материей. Типичным активным компонентом фотоники является оптический модулятор. Все современные кремниевыеоптические модуляторыоснованы на эффекте свободных носителей плазмы. Изменение количества свободных электронов и дырок в кремниевом материале с помощью 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 реальных и мнимых изменений показателя преломления, то есть они могут производить большее изменение фазы при заданном изменении потерь, поэтому вМодуляторы Маха-Цендераи кольцевых модуляторов, обычно предпочитают использовать отверстия для созданияфазовые модуляторы.
Различныекремниевый (Si) модулятортипы показаны на рисунке 10А. В модуляторе с инжекцией носителей свет локализуется в собственном кремнии внутри очень широкого штыревого перехода, 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 инъекции. Поэтому эту структуру часто используют в качестве переменного оптического аттенюатора (VOA), а не модулятора. В модуляторе с обеднением носителей световая часть расположена в узком pn-переходе, а ширина обеднения pn-перехода изменяется под действием приложенного электрического поля. Этот модулятор может работать на скоростях более 50 Гбит/с, но имеет высокие фоновые вносимые потери. Типичный vpil составляет 2 В·см. Модулятор металлооксид-полупроводник (МОП) (на самом деле 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: более высокие оптические потери и более высокая емкость на единицу длины. Кроме того, существуют модуляторы электрического поглощения SiGe, основанные на движении краев полосы 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) Схема поперечного сечения различных конструкций оптических модуляторов на основе кремния и (B) Схема поперечного сечения конструкций оптических детекторов.
Несколько детекторов света на основе кремния показаны на рисунке 10B. Поглощающим материалом является германий (Ge). Ge способен поглощать свет с длиной волны примерно до 1,6 микрона. Слева показана наиболее коммерчески успешная конструкция штифта на сегодняшний день. Он состоит из легированного кремния P-типа, на котором растет Ge. Рассогласование решеток Ge и Si составляет 4%, и чтобы минимизировать дислокации, сначала выращивается тонкий слой SiGe в качестве буферного слоя. Легирование N-типа осуществляется поверх слоя Ge. Фотодиод металл-полупроводник-металл (МСМ) показан посередине, а ЛФД (лавинный фотодетектор) показано справа. Лавинная область в АФД расположена в Si, имеющем более низкие шумовые характеристики по сравнению с лавинной областью в элементарных материалах III-V групп.
В настоящее время не существует решений с очевидными преимуществами интеграции оптического усиления с кремниевой фотоникой. На рис. 11 показано несколько возможных вариантов, организованных по уровням сборки. В крайнем левом углу находятся монолитные интеграции, которые включают использование эпитаксиально выращенного германия (Ge) в качестве материала для оптического усиления, стеклянных волноводов, легированных эрбием (Er) (таких как Al2O3, который требует оптической накачки) и эпитаксиально выращенного арсенида галлия (GaAs). ) квантовые точки. Следующая колонка — сборка пластины с пластиной, включающая оксидные и органические связи в области усиления групп III-V. Следующий раздел — сборка чип-пластина, которая включает в себя встраивание чипа группы III-V в полость кремниевой пластины и последующую механическую обработку волноводной структуры. Преимущество этого подхода из первых трех столбцов заключается в том, что перед резкой устройство можно полностью протестировать внутри пластины. Крайний правый столбец — сборка чип-чип, включая прямое соединение кремниевых чипов с чипами III-V группы, а также соединение через линзовые и решетчатые соединители. Тенденция к коммерческим приложениям движется с правой стороны диаграммы на левую в сторону более интегрированных и интегрированных решений.
Рисунок 11: Как оптическое усиление интегрировано в кремниевую фотонику. При перемещении слева направо точка вставки производства постепенно перемещается назад.
Время публикации: 22 июля 2024 г.