Silikon fotonik aktif elemanı
Fotonik aktif bileşenler, özellikle ışık ve madde arasındaki kasıtlı olarak tasarlanmış dinamik etkileşimleri ifade eder. Fotoniğin tipik bir aktif bileşeni optik modülatördür. Mevcut tüm silikon tabanlıoptik modülatörlerPlazma serbest taşıyıcı etkisine dayanmaktadır. Bir silikon malzemede serbest elektron ve delik sayısını katkılama, elektriksel veya optik yöntemlerle değiştirmek, karmaşık kırılma indeksini değiştirebilir; bu işlem, 1550 nanometre dalga boyunda Soref ve Bennett'ten elde edilen verilerin uyarlanmasıyla elde edilen denklemlerde (1,2) gösterilmiştir. Elektronlarla karşılaştırıldığında, delikler gerçek ve sanal kırılma indeksi değişikliklerinin daha büyük bir oranına neden olur, yani belirli bir kayıp değişikliği için daha büyük bir faz değişikliği üretebilirler, bu nedenleMach-Zehnder modülatörleriHalka modülatörlerinde ise genellikle delik kullanılarak yapılması tercih edilir.faz modülatörleri.
çeşitlisilikon (Si) modülatörŞekil 10A'da çeşitli tipler gösterilmiştir. Taşıyıcı enjeksiyon modülatöründe, ışık çok geniş bir pin bağlantısı içindeki içsel silikonda bulunur ve elektronlar ve delikler enjekte edilir. Bununla birlikte, bu tür modülatörler daha yavaştır, tipik olarak 500 MHz bant genişliğine sahiptir, çünkü serbest elektronlar ve deliklerin enjeksiyondan sonra yeniden birleşmesi daha uzun sürer. Bu nedenle, bu yapı genellikle bir modülatör yerine değişken optik zayıflatıcı (VOA) olarak kullanılır. Taşıyıcı tükenme modülatöründe, ışık kısmı dar bir pn bağlantısında bulunur ve pn bağlantısının tükenme genişliği uygulanan bir elektrik alanı ile değiştirilir. Bu modülatör 50 Gb/s'nin üzerinde 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. Bu yöntem, taşıyıcı birikiminin yanı sıra taşıyıcı tükenmesine de izin vererek yaklaşık 0,2 V-cm'lik daha küçük bir VπL değeri sağlar, ancak daha yüksek optik kayıplar ve birim uzunluk başına daha yüksek kapasitans dezavantajına sahiptir. Buna ek olarak, SiGe (silikon germanyum alaşımı) bant kenarı hareketine dayalı SiGe elektriksel soğurma modülatörleri de mevcuttur. Ayrıca, soğurucu metaller ve şeffaf yalıtkanlar arasında geçiş yapmak için grafene dayanan grafen modülatörleri de 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 silikon tabanlı çeşitli ışık dedektörleri gösterilmektedir. Soğurucu malzeme germanyumdur (Ge). Ge, yaklaşık 1,6 mikrona kadar olan dalga boylarında ışığı soğurabilir. Solda, günümüzde ticari olarak en başarılı pin yapısı gösterilmektedir. Bu yapı, üzerine Ge'nin büyüdüğü P tipi katkılı silikondan oluşmaktadır. Ge ve Si arasında %4'lük bir kafes uyumsuzluğu vardır ve dislokasyonu en aza indirmek için önce tampon katman olarak ince bir SiGe tabakası büyütülür. Ge tabakasının üstüne N tipi katkılama yapılır. Ortada bir metal-yarıiletken-metal (MSM) fotodiyot ve bir APD (çığ fotodedektörüSağda gösterilmiştir. APD'deki çığ bölgesi, Grup III-V elementel malzemelerindeki çığ bölgesine kıyasla daha düşük gürültü özelliklerine sahip olan Si'de yer almaktadır.
Şu anda, optik kazancı silikon fotonikle entegre etmede belirgin avantajlara sahip çözümler bulunmamaktadır. Şekil 11, montaj seviyesine göre düzenlenmiş çeşitli olası seçenekleri göstermektedir. En solda, optik kazanç malzemesi olarak epitaksiyel olarak büyütülmüş germanyum (Ge), erbiyum katkılı (Er) cam dalga kılavuzları (örneğin optik pompalama gerektiren Al2O3) ve epitaksiyel olarak büyütülmüş galyum arsenit (GaAs) kuantum noktalarının kullanımını içeren monolitik entegrasyonlar yer almaktadır. Bir sonraki sütun, III-V grubu kazanç bölgesinde oksit ve organik bağlamayı içeren wafer-to-wafer montajıdır. Bir sonraki sütun, III-V grubu çipin silikon wafer boşluğuna yerleştirilmesini ve ardından dalga kılavuzu yapısının işlenmesini içeren çip-to-wafer montajıdır. Bu ilk üç sütunlu yaklaşımın avantajı, cihazın kesilmeden önce wafer içinde tamamen işlevsel olarak test edilebilmesidir. En sağdaki sütun, silikon çiplerin III-V grubu çiplere doğrudan bağlanmasının yanı sıra mercek ve ızgara kuplörleri aracılığıyla bağlanmayı da içeren çip-to-chip montajıdır. Ticari uygulamalara yönelik eğilim, grafiğin sağ tarafından sol tarafına doğru, daha bütünleşik ve entegre çözümlere doğru kaymaktadır.
Şekil 11: Optik kazancın silikon tabanlı fotoniklere nasıl entegre edildiği. Soldan sağa doğru ilerledikçe, üretim yerleştirme noktası işlem sırasında kademeli olarak geriye doğru hareket eder.
Yayın tarihi: 22 Temmuz 2024