Кремний фотоникасының белсенді элементі

Кремний фотоникасының белсенді элементі

Фотониканың белсенді компоненттері жарық пен зат арасындағы әдейі жасалған динамикалық әрекеттесулерге қатысты. Фотониканың типтік белсенді компоненті оптикалық модулятор болып табылады. Барлық қазіргі кремний негізіндегіоптикалық модуляторларплазмалық бос тасымалдаушы әсерге негізделген. Кремний материалындағы бос электрондар мен саңылаулардың санын легирлеу, электрлік немесе оптикалық әдістер арқылы өзгерту оның күрделі сыну көрсеткішін өзгертуі мүмкін, бұл процесс Сореф пен Беннеттің 1550 нанометр толқын ұзындығында деректерін сәйкестендіру арқылы алынған (1,2) теңдеулерде көрсетілген. . Электрондармен салыстырғанда саңылаулар сыну көрсеткішінің нақты және болжалды өзгерістерінің үлкен бөлігін тудырады, яғни берілген жоғалту өзгерісі үшін үлкен фазалық өзгерісті тудыруы мүмкін, сондықтанМах-Зендер модуляторларыжәне сақиналы модуляторларды жасау үшін әдетте тесіктерді қолданған жөнфазалық модуляторлар.

Әртүрлікремний (Si) модуляторытүрлері 10А суретте көрсетілген. Тасымалдаушы инъекциялық модуляторда жарық өте кең түйреуіштің ішінде меншікті кремнийде орналасады және электрондар мен тесіктер енгізіледі. Дегенмен, мұндай модуляторлар баяуырақ, әдетте өткізу қабілеттілігі 500 МГц, өйткені бос электрондар мен саңылаулардың инъекциядан кейін қайта қосылуы ұзағырақ болады. Сондықтан бұл құрылым модулятор емес, айнымалы оптикалық аттенюатор (VOA) ретінде жиі пайдаланылады. Тасымалдаушының сарқылу модуляторында жарық бөлігі тар pn өткелінде орналасады, ал pn өткелінің сарқылу ені қолданылған электр өрісінің әсерінен өзгереді. Бұл модулятор 50 Гб/с асатын жылдамдықта жұмыс істей алады, бірақ фондық кірістіру жоғалуы жоғары. Әдеттегі vpil 2 В-см. Металл оксидінің жартылай өткізгіші (MOS) (шын мәнінде жартылай өткізгіш-оксид-жартылай өткізгіш) модуляторы pn өткелінде жұқа оксидті қабаттан тұрады. Ол кейбір тасымалдаушылардың жинақталуына, сондай-ақ тасымалдаушының сарқылуына мүмкіндік береді, шамамен 0,2 В-см кіші VπL мүмкіндік береді, бірақ ұзындық бірлігіне жоғары оптикалық жоғалтулар мен жоғары сыйымдылықтың кемшілігі бар. Бұдан басқа, SiGe (кремний германия қорытпасы) жолақ жиегі қозғалысына негізделген SiGe электрлік сіңіру модуляторлары бар. Бұған қоса, сіңіретін металдар мен мөлдір изоляторлар арасында ауысу үшін графенге сүйенетін графен модуляторлары бар. Бұл жоғары жылдамдықты, аз шығынды оптикалық сигнал модуляциясына қол жеткізу үшін әртүрлі механизмдерді қолданудың әртүрлілігін көрсетеді.

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

Бірнеше кремний негізіндегі жарық детекторлары 10В суретте көрсетілген. Сіңіретін материал - германий (Ge). Ge шамамен 1,6 микронға дейінгі толқын ұзындығында жарықты сіңіре алады. Сол жақта бүгінгі күні коммерциялық тұрғыдан ең табысты түйреуіш құрылымы көрсетілген. Ол Ge өсетін P-типті қоспаланған кремнийден тұрады. Ge және Si 4% тор сәйкессіздігіне ие және дислокацияны азайту үшін алдымен буферлік қабат ретінде SiGe жұқа қабаты өсіріледі. N-типті допинг Ge қабатының жоғарғы жағында орындалады. Ортасында металл-жартылай өткізгіш-металл (MSM) фотодиод, ал APD (көшкін фотодетекторы) оң жақта көрсетілген. APD-дегі көшкін аймағы Си-де орналасқан, ол III-V топтағы элементарлы материалдардағы көшкін аймағымен салыстырғанда шудың төмен сипаттамаларына ие.

Қазіргі уақытта кремний фотоникасымен оптикалық күшейтуді біріктірудің айқын артықшылықтары бар шешімдер жоқ. 11-суретте құрастыру деңгейі бойынша ұйымдастырылған бірнеше ықтимал нұсқалар көрсетілген. Оптикалық күшейту материалы ретінде эпитаксистік жолмен өсірілген германийді (Ge), эрбий қосылған (Er) шыны толқын өткізгіштерді (мысалы, оптикалық айдауды қажет ететін Al2O3) және эпитаксистік түрде өсірілген галлий арсенидін (GaAs) қамтитын монолитті интеграциялар сол жақта орналасқан. ) кванттық нүктелер. Келесі баған - III-V топтық күшейту аймағындағы оксидті және органикалық байланыстарды қамтитын вафлиден пластинкаға дейін құрастыру. Келесі баған - чиптен пластинаға құрастыру, ол III-V топтық чипті кремний пластинкасының қуысына енгізуді және одан кейін толқын өткізгіш құрылымын өңдеуді қамтиды. Бұл алғашқы үш бағанды ​​тәсілдің артықшылығы - құрылғыны кесу алдында пластинаның ішінде толық функционалды сынауға болады. Оң жақтағы баған - чиптен чипке құрастыру, оның ішінде кремний чиптерін III-V топ микросхемаларына тікелей қосу, сонымен қатар линзалар мен торлы қосқыштар арқылы байланыстыру. Коммерциялық қолданбаларға тенденция диаграмманың оң жағынан сол жағына қарай интеграцияланған және біріктірілген шешімдерге қарай жылжуда.

11-сурет: Оптикалық күшейту кремний негізіндегі фотоникаға қалай біріктірілген. Солдан оңға қарай жылжытқанда, өндірістің кірістіру нүктесі процесте біртіндеп артқа жылжиды.


Жіберу уақыты: 22 шілде 2024 ж