სილიციუმის ფოტონიკის აქტიური ელემენტი

სილიციუმის ფოტონიკის აქტიური ელემენტი

ფოტონიკის აქტიური კომპონენტები ეხება კონკრეტულად განზრახ შემუშავებულ დინამიურ ურთიერთქმედებებს სინათლესა და მატერიას შორის. ფოტონიკის ტიპიური აქტიური კომპონენტია ოპტიკური მოდულატორი. ყველა მიმდინარე სილიკონზე დაფუძნებულიოპტიკური მოდულატორებიდაფუძნებულია პლაზმის თავისუფალი მატარებლის ეფექტზე. თავისუფალი ელექტრონებისა და ხვრელების რაოდენობის შეცვლამ სილიკონის მასალაში დოპინგური, ელექტრული ან ოპტიკური მეთოდებით შეიძლება შეცვალოს მისი რთული რეფრაქციული ინდექსი, პროცესი ნაჩვენებია განტოლებებში (1,2), რომლებიც მიღებულია სორეფისა და ბენეტის მონაცემების დაყენებით ტალღის სიგრძეზე 1550 ნანომეტრზე. . ელექტრონებთან შედარებით, ხვრელები იწვევენ რეფრაქციული ინდექსის რეალური და წარმოსახვითი ცვლილებების დიდ ნაწილს, ანუ მათ შეუძლიათ წარმოქმნან უფრო დიდი ფაზის ცვლილება მოცემული დანაკარგის ცვლილებისთვის.Mach-Zehnder მოდულატორებიდა რგოლის მოდულატორები, როგორც წესი, სასურველია გამოიყენოს ხვრელების გაკეთებაფაზის მოდულატორები.

სხვადასხვასილიკონის (Si) მოდულატორიტიპები ნაჩვენებია სურათზე 10A. გადამზიდავი ინექციის მოდულატორში სინათლე განლაგებულია შინაგან სილიციუმში ძალიან ფართო ქინძისთავის შეერთებაში და ელექტრონები და ხვრელები ინექცია. თუმცა, ასეთი მოდულატორები უფრო ნელია, როგორც წესი, 500 MHz სიჩქარით, რადგან თავისუფალ ელექტრონებსა და ხვრელებს უფრო მეტი დრო სჭირდება ინექციის შემდეგ. ამიტომ, ეს სტრუქტურა ხშირად გამოიყენება როგორც ცვლადი ოპტიკური ატენუატორი (VOA), ვიდრე მოდულატორი. გადამზიდავი ამოწურვის მოდულატორში სინათლის ნაწილი განლაგებულია ვიწრო pn შეერთებაზე, ხოლო pn შეერთების ამოწურვის სიგანე იცვლება გამოყენებული ელექტრული ველით. ამ მოდულატორს შეუძლია იმუშაოს 50 გბ/წმ-ზე მეტი სიჩქარით, მაგრამ აქვს მაღალი ფონზე ჩასმის დანაკარგი. ტიპიური vpil არის 2 V-სმ. ლითონის ოქსიდის ნახევარგამტარი (MOS) (სინამდვილეში ნახევარგამტარი-ოქსიდი-ნახევარგამტარი) მოდულატორი შეიცავს თხელ ოქსიდის ფენას pn შეერთებაში. ის იძლევა ზოგიერთი გადამზიდის დაგროვების და ასევე გადამზიდის ამოწურვის საშუალებას, რაც იძლევა მცირე VπL დაახლოებით 0.2 V-cm, მაგრამ აქვს მინუსი უფრო მაღალი ოპტიკური დანაკარგებით და უფრო მაღალი ტევადობით ერთეულ სიგრძეზე. გარდა ამისა, არსებობს SiGe ელექტრული შთანთქმის მოდულატორები, რომლებიც დაფუძნებულია SiGe (სილიკონის გერმანიუმის შენადნობის) ზოლის ზოლის მოძრაობაზე. გარდა ამისა, არსებობს გრაფენის მოდულატორები, რომლებიც ეყრდნობიან გრაფენს შთამნთქმელ ლითონებსა და გამჭვირვალე იზოლატორებს შორის გადართვისთვის. ეს აჩვენებს სხვადასხვა მექანიზმების გამოყენების მრავალფეროვნებას მაღალსიჩქარიანი, დაბალი დანაკარგის ოპტიკური სიგნალის მოდულაციის მისაღწევად.

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

სილიკონზე დაფუძნებული რამდენიმე სინათლის დეტექტორი ნაჩვენებია სურათზე 10B. შთამნთქმელი მასალაა გერმანიუმი (Ge). Ge-ს შეუძლია სინათლის შთანთქმა ტალღის სიგრძეზე დაახლოებით 1,6 მიკრონი. მარცხნივ ნაჩვენებია დღეს ყველაზე კომერციულად წარმატებული პინის სტრუქტურა. იგი შედგება P-ტიპის დოპირებული სილიკონისგან, რომელზეც Ge იზრდება. Ge-ს და Si-ს აქვთ 4%-იანი გისოსების შეუსაბამობა და დისლოკაციის შესამცირებლად, SiGe-ის თხელი ფენა ჯერ ბუფერული ფენის სახით იზრდება. N ტიპის დოპინგი ტარდება Ge ფენის ზედა ნაწილში. მეტალ-ნახევარგამტარ-ლითონის (MSM) ფოტოდიოდი ნაჩვენებია შუაში, ხოლო APD (ზვავის ფოტოდეტექტორი) ნაჩვენებია მარჯვნივ. APD-ში ზვავის რეგიონი მდებარეობს Si-ში, რომელსაც აქვს უფრო დაბალი ხმაურის მახასიათებლები III-V ჯგუფის ელემენტარულ მასალებში ზვავის რეგიონთან შედარებით.

ამჟამად, არ არსებობს აშკარა უპირატესობების მქონე გადაწყვეტილებები სილიკონის ფოტონიკასთან ოპტიკური გაძლიერების ინტეგრირებისთვის. სურათი 11 გვიჩვენებს ასამბლეის დონის მიხედვით ორგანიზებულ რამდენიმე შესაძლო ვარიანტს. უკიდურეს მარცხნივ არის მონოლითური ინტეგრაციები, რომლებიც მოიცავს ეპიტაქსიურად გაზრდილი გერმანიუმის (Ge) გამოყენებას, როგორც ოპტიკური გამაძლიერებლის მასალას, ერბიუმ-დოპირებული (Er) მინის ტალღების გამტარებს (როგორიცაა Al2O3, რომელიც საჭიროებს ოპტიკურ ტუმბოს) და ეპიტაქსიურად გაზრდილი გალიუმის არსენიდი (GaAs). ) კვანტური წერტილები. შემდეგი სვეტი არის ვაფლიდან ვაფლის შეკრება, რომელიც მოიცავს ოქსიდს და ორგანულ კავშირს III-V ჯგუფის მომატების რეგიონში. შემდეგი სვეტი არის ჩიპიდან ვაფლის შეკრება, რომელიც გულისხმობს III-V ჯგუფის ჩიპის ჩანერგვას სილიკონის ვაფლის ღრუში და შემდეგ ტალღის გამტარის სტრუქტურის დამუშავებას. ამ პირველი სამი სვეტის მიდგომის უპირატესობა არის ის, რომ მოწყობილობა შეიძლება სრულად იყოს ფუნქციონალური ტესტირება ვაფლის შიგნით დაჭრამდე. ყველაზე მარჯვენა სვეტი არის ჩიპიდან ჩიპთან შეკრება, მათ შორის სილიკონის ჩიპების პირდაპირი შეერთება III-V ჯგუფის ჩიპებთან, ასევე დაწყვილება ლინზებისა და ბადეების წყვილების მეშვეობით. კომერციული აპლიკაციების მიმართ ტენდენცია გადადის სქემის მარჯვნიდან მარცხენა მხარეს უფრო ინტეგრირებული და ინტეგრირებული გადაწყვეტილებებისკენ.

სურათი 11: როგორ არის ინტეგრირებული ოპტიკური მომატება სილიკონზე დაფუძნებულ ფოტონიკაში. მარცხნიდან მარჯვნივ გადაადგილებისას, წარმოების ჩასმის წერტილი თანდათან ბრუნდება პროცესში.