Silisyum fotonik aktif eleman
Fotonik aktif bileşenleri, özellikle ışık ve madde arasında bilinçli olarak tasarlanmış dinamik etkileşimleri ifade eder. Fotoniklerin tipik bir aktif bileşeni optik modülatördür. Mevcut tüm silikon bazlı modülatörler.optik modülatörlerPlazma serbest taşıyıcı etkisine dayanır. Bir silikon malzemedeki serbest elektron ve boşluk sayısını katkılama, elektriksel veya optik yöntemlerle değiştirmek, karmaşık kırılma indisini değiştirebilir. Bu süreç, Soref ve Bennett'in 1550 nanometre dalga boyundaki verilerine uyarak elde edilen denklemlerde (1,2) gösterilmiştir. Elektronlarla karşılaştırıldığında, boşluklar gerçek ve sanal 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.
Çeşitlisilikon (Si) modülatörüTipler Şekil 10A'da gösterilmiştir. Bir taşıyıcı enjeksiyon modülatöründe, ışık çok geniş bir pin bağlantısı içindeki öz silikonda bulunur ve elektronlar ile delikler enjekte edilir. Ancak, bu tür modülatörler daha yavaştır ve genellikle 500 MHz bant genişliğine sahiptir, çünkü serbest elektronların ve deliklerin enjeksiyondan sonra yeniden birleşmesi daha uzun sürer. Bu nedenle, bu yapı genellikle bir modülatör yerine 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'yi aşan 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 vererek yaklaşık 0,2 V-cm gibi daha küçük bir VπL'ye olanak tanır, ancak daha yüksek optik kayıplar ve birim uzunluk başına daha yüksek kapasitans gibi dezavantajlara sahiptir. Ayrıca, SiGe (silisyum Germanyum alaşımı) bant kenarı hareketine dayalı SiGe elektriksel absorpsiyon modülatörleri de mevcuttur. Ayrıca, emici metaller ve şeffaf yalıtkanlar arasında geçiş yapmak için grafene dayanan grafen modülatörleri de mevcuttur. 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 bazlı ışık dedektörü gösterilmektedir. Emici malzeme germanyumdur (Ge). Ge, yaklaşık 1,6 mikrona kadar dalga boylarındaki ışığı emebilir. Solda, günümüzde ticari olarak en başarılı pim yapısı gösterilmektedir. Ge'nin üzerinde büyüdüğü P tipi katkılı silikondan oluşur. Ge ve Si'nin kafes uyumsuzluğu %4'tür ve yerinden oynamayı en aza indirmek için önce ince bir SiGe tabakası tampon tabaka olarak büyütülür. Ge tabakasının üstüne N tipi katkılama uygulanır. Ortada bir metal-yarıiletken-metal (MSM) fotodiyot ve bir APD (çığ Fotodetektörü) 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 entegre etmede bariz avantajlara sahip bir çözüm bulunmamaktadır. Şekil 11, montaj seviyesine göre düzenlenmiş birkaç olası seçeneği göstermektedir. En solda, optik kazanç malzemesi olarak epitaksiyel olarak büyütülmüş germanyum (Ge), erbiyum katkılı (Er) cam dalga kılavuzları (optik pompalama gerektiren Al2O3 gibi) ve epitaksiyel olarak büyütülmüş galyum arsenit (GaAs) kuantum noktalarının kullanımını içeren monolitik entegrasyonlar bulunmaktadır. Bir sonraki sütun, III-V grubu kazanç bölgesinde oksit ve organik bağlanmayı içeren gofretten gofrete montajıdır. Bir sonraki sütun, III-V grubu çipinin silikon gofretin boşluğuna gömülmesini ve ardından dalga kılavuzu yapısının işlenmesini içeren çipten gofrete montajıdır. Bu ilk üç sütunlu yaklaşımın avantajı, cihazın kesilmeden önce gofretin içinde tam işlevsel olarak test edilebilmesidir. En sağdaki sütun, silikon yongaların III-V grubu yongalara doğrudan bağlanmasının yanı sıra lens ve kafes kuplörler aracılığıyla bağlanmayı da içeren yongadan yongaya montajı göstermektedir. Ticari uygulamalara yönelik eğilim, grafiğin sağından soluna doğru, daha entegre ve bütünleşik çözümlere doğru kaymaktadır.
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 Temmuz 2024