სილიკონის ფოტონიკური აქტიური ელემენტი

სილიკონის ფოტონიკური აქტიური ელემენტი

ფოტონიკის აქტიური კომპონენტები კონკრეტულად ეხება სინათლესა და მატერიას შორის განზრახ შექმნილ დინამიურ ურთიერთქმედებებს. ფოტონიკის ტიპიური აქტიური კომპონენტია ოპტიკური მოდულატორი. ყველა თანამედროვე სილიციუმზე დაფუძნებულიოპტიკური მოდულატორებიემყარება პლაზმის თავისუფალი მატარებლის ეფექტს. სილიციუმის მასალაში თავისუფალი ელექტრონებისა და ხვრელების რაოდენობის შეცვლამ დოპინგის, ელექტრული ან ოპტიკური მეთოდებით შეიძლება შეცვალოს მისი რთული რეფრაქციული ინდექსი, პროცესი, რომელიც ნაჩვენებია განტოლებებში (1,2), მიღებულია სორეფისა და ბენეტის მონაცემების 1550 ნანომეტრის ტალღის სიგრძეზე მორგებით. ელექტრონებთან შედარებით, ხვრელები იწვევენ რეალური და წარმოსახვითი რეფრაქციული ინდექსის ცვლილებების უფრო დიდ ნაწილს, ანუ მათ შეუძლიათ გამოიწვიონ უფრო დიდი ფაზური ცვლილება მოცემული დანაკარგის ცვლილებისთვის, ამიტომმახ-ზენდერის მოდულატორებიდა რგოლის მოდულატორებისთვის, როგორც წესი, სასურველია ხვრელების გამოყენებაფაზის მოდულატორები.

სხვადასხვასილიკონის (Si) მოდულატორიტიპები ნაჩვენებია ნახაზ 10A-ში. მატარებლის ინექციის მოდულატორში, სინათლე მდებარეობს შინაგან სილიციუმში ძალიან ფართო პინის შეერთების შიგნით და ელექტრონები და ხვრელები შეჰყავთ. თუმცა, ასეთი მოდულატორები უფრო ნელია, როგორც წესი, 500 MHz გამტარობით, რადგან თავისუფალი ელექტრონებისა და ხვრელების შეერთებას ინექციის შემდეგ უფრო მეტი დრო სჭირდება. ამიტომ, ეს სტრუქტურა ხშირად გამოიყენება როგორც ცვლადი ოპტიკური შესუსტება (VOA) მოდულატორის ნაცვლად. მატარებლის გამოფიტვის მოდულატორში, სინათლის ნაწილი მდებარეობს ვიწრო pn შეერთების ადგილას და pn შეერთების გამოფიტვის სიგანე იცვლება გამოყენებული ელექტრული ველის მიერ. ამ მოდულატორს შეუძლია მუშაობა 50 გბ/წმ-ზე მეტი სიჩქარით, მაგრამ აქვს მაღალი ფონური ჩასმის დანაკარგი. ტიპიური vpil არის 2 ვ-სმ. ლითონის ოქსიდის ნახევარგამტარი (MOS) (სინამდვილეში ნახევარგამტარ-ოქსიდი-ნახევარგამტარი) მოდულატორი შეიცავს თხელ ოქსიდის ფენას pn შეერთების ადგილას. ის საშუალებას იძლევა მატარებლების გარკვეული დაგროვებისა და მატარებლების გამოფიტვის, რაც საშუალებას იძლევა უფრო მცირე VπL-ის დაახლოებით 0.2 ვ-სმ-ის, მაგრამ აქვს ნაკლი - უფრო მაღალი ოპტიკური დანაკარგები და უფრო მაღალი ტევადობა სიგრძის ერთეულზე. გარდა ამისა, არსებობს SiGe ელექტროშთანთქმის მოდულატორები, რომლებიც დაფუძნებულია SiGe-ის (სილიციუმ-გერმანიუმის შენადნობი) ზოლის კიდის მოძრაობაზე. გარდა ამისა, არსებობს გრაფენის მოდულატორები, რომლებიც გრაფენზეა დამოკიდებული შთამნთქმელი ლითონებისა და გამჭვირვალე იზოლატორების გადართვისთვის. ეს აჩვენებს სხვადასხვა მექანიზმების გამოყენების მრავალფეროვნებას მაღალსიჩქარიანი, დაბალი დანაკარგის ოპტიკური სიგნალის მოდულაციის მისაღწევად.

სურათი 10: (A) სილიკონზე დაფუძნებული სხვადასხვა ოპტიკური მოდულატორის დიზაინის განივი დიაგრამა და (B) ოპტიკური დეტექტორის დიზაინის განივი დიაგრამა.

ნახაზ 10B-ზე ნაჩვენებია სილიციუმზე დაფუძნებული რამდენიმე სინათლის დეტექტორი. შთამნთქმელი მასალაა გერმანიუმი (Ge). Ge-ს შეუძლია შთანთქოს სინათლე დაახლოებით 1.6 მიკრონამდე ტალღის სიგრძეზე. მარცხნივ ნაჩვენებია დღესდღეობით ყველაზე კომერციულად წარმატებული ქინძისთავიანი სტრუქტურა. იგი შედგება P ტიპის დოპირებული სილიციუმისგან, რომელზეც Ge იზრდება. Ge-სა და Si-ს აქვთ 4%-იანი შეუსაბამობა ბადისებრ სტრუქტურაში და დისლოკაციის მინიმიზაციის მიზნით, SiGe-ს თხელი ფენა თავდაპირველად იზრდება ბუფერული ფენის სახით. N ტიპის დოპირება ხორციელდება Ge ფენის ზედა ნაწილში. შუაში ნაჩვენებია ლითონ-ნახევარგამტარ-ლითონის (MSM) ფოტოდიოდი, ხოლო APD (ზვავის ფოტოდეტექტორი) ნაჩვენებია მარჯვნივ. APD-ში ზვავის რეგიონი მდებარეობს Si-ში, რომელსაც III-V ჯგუფის ელემენტარულ მასალებში ზვავის რეგიონთან შედარებით უფრო დაბალი ხმაურის მახასიათებლები აქვს.

ამჟამად, არ არსებობს გადაწყვეტილებები, რომლებსაც აშკარა უპირატესობები აქვთ ოპტიკური გაძლიერების სილიკონის ფოტონიკასთან ინტეგრირებისას. სურათი 11 გვიჩვენებს რამდენიმე შესაძლო ვარიანტს, რომლებიც ორგანიზებულია აწყობის დონის მიხედვით. მარცხენა მხარეს არის მონოლითური ინტეგრაციები, რომლებიც მოიცავს ეპიტაქსიალურად გაზრდილი გერმანიუმის (Ge) გამოყენებას, როგორც ოპტიკური გაძლიერების მასალას, ერბიუმით დოპირებულ (Er) მინის ტალღგამტარებს (მაგალითად, Al2O3, რომელიც საჭიროებს ოპტიკურ ტუმბოს) და ეპიტაქსიურად გაზრდილი გალიუმის არსენიდის (GaAs) კვანტურ წერტილებს. შემდეგი სვეტი არის ვაფლიდან ვაფლამდე აწყობა, რომელიც მოიცავს ოქსიდს და ორგანულ ბმებს III-V ჯგუფის გაძლიერების რეგიონში. შემდეგი სვეტი არის ჩიპიდან ვაფლამდე აწყობა, რომელიც გულისხმობს III-V ჯგუფის ჩიპის ჩასმას სილიკონის ვაფლის ღრუში და შემდეგ ტალღგამტარი სტრუქტურის დამუშავებას. ამ პირველი სამი სვეტის მიდგომის უპირატესობა ის არის, რომ მოწყობილობის სრულად ფუნქციონალური ტესტირება შესაძლებელია ვაფლის შიგნით ჭრამდე. მარჯვენა სვეტი არის ჩიპიდან ჩიპამდე აწყობა, მათ შორის სილიკონის ჩიპების პირდაპირი შეერთება III-V ჯგუფის ჩიპებთან, ასევე შეერთება ლინზებისა და ბადისებრი შემაერთებლების მეშვეობით. კომერციული აპლიკაციებისკენ ტენდენცია დიაგრამის მარჯვნიდან მარცხნივ გადადის უფრო და უფრო ინტეგრირებული გადაწყვეტილებებისკენ.

სურათი 11: როგორ ინტეგრირდება ოპტიკური გაძლიერება სილიკონზე დაფუძნებულ ფოტონიკაში. მარცხნიდან მარჯვნივ გადაადგილებისას, წარმოების ჩასმის წერტილი თანდათან უკან იხევს.