Кремний фотоникасының белсенді элементі

Кремний фотоникасының белсенді элементі

Фотоника белсенді компоненттері жарық пен материя арасындағы әдейі жасалған динамикалық өзара әрекеттесуді білдіреді. Фотониканың типтік белсенді компоненті - оптикалық модулятор. Қазіргі кездегі кремний негізіндегі барлықоптикалық модуляторларплазмалық еркін тасымалдаушы әсеріне негізделген. Кремний материалындағы бос электрондар мен тесіктер санын легирлеу, электрлік немесе оптикалық әдістер арқылы өзгерту оның күрделі сыну көрсеткішін өзгертуі мүмкін, бұл процесс Сореф пен Беннеттің деректерін 1550 нанометр толқын ұзындығында сәйкестендіру арқылы алынған (1,2) теңдеулерде көрсетілген. Электрондармен салыстырғанда, тесіктер нақты және жорамал сыну көрсеткішінің өзгерістерінің үлкен үлесін тудырады, яғни олар берілген шығын өзгерісі үшін үлкен фазалық өзгеріс тудыруы мүмкін, сондықтанМах-Цендер модуляторларыжәне сақиналы модуляторларда әдетте тесіктерді пайдалану ұсыныладыфазалық модуляторлар.

Әртүрлікремний (Si) модуляторытүрлері 10A суретте көрсетілген. Тасымалдаушы инжекция модуляторында жарық өте кең түйреуіш түйіспесінде меншікті кремнийде орналасқан, ал электрондар мен тесіктер инжекцияланады. Дегенмен, мұндай модуляторлар баяу жұмыс істейді, әдетте 500 МГц өткізу жолағының ені бар, себебі бос электрондар мен тесіктер инжекциядан кейін қайта бірігу үшін ұзағырақ уақыт алады. Сондықтан, бұл құрылым көбінесе модулятор емес, айнымалы оптикалық аттенюатор (VOA) ретінде қолданылады. Тасымалдаушының сарқылу модуляторында жарық бөлігі тар pn түйіспесінде орналасқан, ал pn түйіспесінің сарқылу ені қолданылған электр өрісімен өзгертіледі. Бұл модулятор 50 Гб/с-тан асатын жылдамдықта жұмыс істей алады, бірақ фондық енгізу шығыны жоғары. Әдеттегі vpil 2 В-см2 құрайды. Металл оксидті жартылай өткізгіш (MOS) (шын мәнінде жартылай өткізгіш-оксид-жартылай өткізгіш) модуляторы pn түйіспесінде жұқа оксид қабатын қамтиды. Бұл тасымалдаушылардың жинақталуына, сондай-ақ тасымалдаушылардың азаюына мүмкіндік береді, бұл шамамен 0,2 В-см кішірек VπL-ге мүмкіндік береді, бірақ оптикалық шығындардың жоғарылауы және ұзындық бірлігіне шаққандағы сыйымдылықтың жоғарылауы сияқты кемшілікке ие. Сонымен қатар, SiGe (кремний германий қорытпасы) жолақ жиегінің қозғалысына негізделген SiGe электрлік сіңіру модуляторлары бар. Сонымен қатар, сіңіретін металдар мен мөлдір оқшаулағыштар арасында ауысу үшін графенге сүйенетін графен модуляторлары бар. Бұлар жоғары жылдамдықты, төмен шығынды оптикалық сигнал модуляциясына қол жеткізу үшін әртүрлі механизмдердің қолданылу аясының әртүрлілігін көрсетеді.

10-сурет: (A) Кремний негізіндегі әртүрлі оптикалық модулятор конструкцияларының көлденең қимасының диаграммасы және (B) оптикалық детектор конструкцияларының көлденең қимасының диаграммасы.

10B суретте кремний негізіндегі бірнеше жарық детекторлары көрсетілген. Жұтатын материал - германий (Ge). Ge шамамен 1,6 микронға дейінгі толқын ұзындығындағы жарықты сіңіре алады. Сол жақта бүгінгі таңдағы ең коммерциялық табысты түйреуіш құрылымы көрсетілген. Ол Ge өсетін P-типті легирленген кремнийден тұрады. Ge және Si торының сәйкессіздігі 4%, ал дислокацияны азайту үшін алдымен буферлік қабат ретінде SiGe жұқа қабаты өсіріледі. Ge қабатының жоғарғы жағында N-типті легирлеу жүргізіледі. Ортасында металл-жартылай өткізгіш-металл (MSM) фотодиоды, ал APD (Қар көшкіні фотодетекторы) оң жақта көрсетілген. APD-дегі көшкін аймағы Si-де орналасқан, оның III-V топтағы элементтік материалдардағы көшкін аймағымен салыстырғанда шу сипаттамалары төмен.

Қазіргі уақытта оптикалық күшейтуді кремний фотоникасымен біріктіруде айқын артықшылықтары бар шешімдер жоқ. 11-суретте құрастыру деңгейі бойынша ұйымдастырылған бірнеше мүмкін нұсқалар көрсетілген. Сол жақта оптикалық күшейту материалы ретінде эпитаксиалды түрде өсірілген германийді (Ge), эрбиймен легирленген (Er) шыны толқын өткізгіштерді (мысалы, оптикалық айдауды қажет ететін Al2O3) және эпитаксиалды түрде өсірілген галлий арсенидін (GaAs) кванттық нүктелерді пайдалануды қамтитын монолитті интеграциялар орналасқан. Келесі баған - III-V топтық күшейту аймағында оксидтік және органикалық байланысты қамтитын пластинадан пластинаға құрастыру. Келесі баған - чиптен пластинаға құрастыру, ол III-V топтық чипті кремний пластинасының қуысына енгізуді және содан кейін толқын өткізгіш құрылымын өңдеуді қамтиды. Бұл алғашқы үш бағандық тәсілдің артықшылығы - құрылғыны кесу алдында пластинаның ішінде толық функционалды түрде тексеруге болады. Оң жақтағы баған - чиптен чипке құрастыру, оның ішінде кремний чиптерін III-V топтық чиптерге тікелей қосу, сондай-ақ линза мен торлы муфталар арқылы қосу. Коммерциялық қолданбаларға беталыс диаграмманың оң жағынан сол жағына қарай интеграцияланған және интеграцияланған шешімдерге қарай жылжуда.

11-сурет: Оптикалық күшейту кремний негізіндегі фотоникаға қалай интеграцияланған. Солдан оңға қарай жылжыған сайын, өндірістік енгізу нүктесі процесте біртіндеп кері жылжиды.