Silisyum fotonik aktif eleman
Fotonik aktif bileşenleri özellikle ışık ve madde arasındaki kasıtlı olarak tasarlanmış dinamik etkileşimlere atıfta bulunur. Fotoniklerin tipik bir aktif bileşeni optik bir modülatördür. Tüm güncel silikon bazlıoptik modülatörlerplazma serbest taşıyıcı etkisine dayanır. Bir silikon malzemedeki serbest elektron ve delik sayısını doping, elektriksel veya optik yöntemlerle değiştirmek, karmaşık kırılma indisini değiştirebilir, bu işlem Soref ve Bennett'ten 1550 nanometre dalga boyunda veri uydurularak elde edilen denklemlerde (1,2) gösterilmiştir. Elektronlarla karşılaştırıldığında, delikler gerçek ve hayali kırılma indisi değişimlerinin daha büyük bir oranına neden olur, yani belirli bir kayıp değişimi için daha büyük bir faz değişimi üretebilirler, bu nedenleMach-Zehnder modülatörlerive halka modülatörleri için, genellikle deliklerin kullanılması tercih edilirfaz modülatörleri.
Çeşitlisilisyum (Si) modülatörütürleri Şekil 10A'da gösterilmiştir. Bir taşıyıcı enjeksiyon modülatöründe, ışık çok geniş bir pin bağlantısı içindeki içsel silikonda bulunur ve elektronlar ve delikler enjekte edilir. Ancak, bu tür modülatörler daha yavaştır, tipik olarak 500 MHz bant genişliğine sahiptir, çünkü serbest elektronların ve deliklerin enjeksiyondan sonra yeniden birleşmesi daha uzun sürer. Bu nedenle, bu yapı genellikle bir modülatörden ziyade değişken optik zayıflatıcı (VOA) olarak kullanılır. Bir taşıyıcı tükenme modülatöründe, ışık kısmı dar bir pn bağlantısında bulunur ve pn bağlantısının tükenme genişliği uygulanan bir elektrik alanı tarafından değiştirilir. Bu modülatör 50 Gb/s'nin üzerindeki hızlarda çalışabilir, ancak yüksek bir arka plan ekleme kaybına sahiptir. Tipik vpil 2 V-cm'dir. Bir metal oksit yarı iletken (MOS) (aslında yarı iletken-oksit-yarı iletken) modülatörü, bir pn bağlantısında ince bir oksit tabakası içerir. Taşıyıcı tükenmesinin yanı sıra bir miktar taşıyıcı birikimine de izin verir ve yaklaşık 0,2 V-cm'lik daha küçük bir VπL'ye izin verir, ancak daha yüksek optik kayıplar ve birim uzunluk başına daha yüksek kapasitans dezavantajına sahiptir. Ek olarak, SiGe (silikon Germanyum alaşımı) bant kenarı hareketine dayalı SiGe elektriksel emilim modülatörleri vardır. Ek olarak, emici metaller ve şeffaf yalıtkanlar arasında geçiş yapmak için grafene güvenen grafen modülatörleri vardır. Bunlar, yüksek hızlı, düşük kayıplı optik sinyal modülasyonu elde etmek için farklı mekanizmaların uygulama çeşitliliğini göstermektedir.
Şekil 10: (A) Çeşitli silikon tabanlı optik modülatör tasarımlarının kesit diyagramı ve (B) optik dedektör tasarımlarının kesit diyagramı.
Şekil 10B'de birkaç silikon tabanlı ışık dedektörü gösterilmektedir. Emici malzeme germanyumdur (Ge). Ge, yaklaşık 1,6 mikrona kadar olan dalga boylarındaki ışığı emebilir. Solda gösterilen, günümüzde ticari olarak en başarılı pim yapısıdır. Ge'nin üzerinde büyüdüğü P tipi katkılı silikondan oluşur. Ge ve Si'nin %4'lük bir kafes uyumsuzluğu vardır ve dislokasyonu en aza indirmek için önce ince bir SiGe tabakası tampon tabakası olarak büyütülür. Ge tabakasının üstüne N tipi katkılama yapılır. Ortada bir metal-yarı iletken-metal (MSM) fotodiyot ve bir APD (çığ Fotodedektörü) sağda gösterilmiştir. APD'deki çığ bölgesi, Grup III-V elemental malzemelerdeki çığ bölgesine kıyasla daha düşük gürültü özelliklerine sahip olan Si'de yer almaktadır.
Şu anda optik kazancı silikon fotonikle bütünleştirmede bariz avantajları olan bir çözüm bulunmamaktadır. Şekil 11, montaj seviyesine göre düzenlenmiş birkaç olası seçeneği göstermektedir. En solda, optik kazanç malzemesi olarak epitaksiyel olarak yetiştirilmiş germanyum (Ge), erbiyum katkılı (Er) cam dalga kılavuzları (optik pompalama gerektiren Al2O3 gibi) ve epitaksiyel olarak yetiştirilmiş galyum arsenit (GaAs) kuantum noktalarının kullanımını içeren monolitik entegrasyonlar bulunmaktadır. Bir sonraki sütun, III-V grubu kazanç bölgesinde oksit ve organik bağlanmayı içeren yongadan yongaya birleştirmedir. Bir sonraki sütun, III-V grubu yongasını silikon yonganın boşluğuna yerleştirmeyi ve ardından dalga kılavuzu yapısını işlemeyi içeren yongadan yongaya birleştirmedir. Bu ilk üç sütunlu yaklaşımın avantajı, cihazın kesilmeden önce yonga içinde tam işlevsel olarak test edilebilmesidir. En sağdaki sütun, silikon yongaların III-V grubu yongalara doğrudan bağlanması ve lens ve kafes kuplörleri aracılığıyla bağlanması da dahil olmak üzere yongadan yongaya montajdır. Ticari uygulamalara yönelik eğilim, grafiğin sağından soluna doğru daha entegre ve entegre çözümlere doğru hareket ediyor.
Şekil 11: Optik kazanımın silikon tabanlı fotoniklere nasıl entegre edildiği. Soldan sağa doğru hareket ettikçe, üretim ekleme noktası süreçte kademeli olarak geriye doğru hareket eder.
Gönderi zamanı: 22-Tem-2024