Silikon fotoniği aktif elemanı

Silikon fotoniği aktif elemanı

Fotonik aktif bileşenler, özellikle ışık ve madde arasındaki kasıtlı olarak tasarlanmış dinamik etkileşimleri ifade eder. Fotoniğin tipik bir aktif bileşeni bir optik modülatördür. Mevcut tüm silikon bazlıoptik modülatörlerplazma içermeyen taşıyıcı etkisine dayanmaktadır. Bir silikon malzemedeki serbest elektronların ve deliklerin sayısının katkılama, elektriksel veya optik yöntemlerle değiştirilmesi, karmaşık kırılma indisini değiştirebilir; bu işlem, Soref ve Bennett'in 1550 nanometre dalga boyuna yerleştirilmesiyle elde edilen denklemlerde (1,2) gösterilen bir işlemdir. . Elektronlarla karşılaştırıldığında delikler, gerçek ve hayali kırılma indisi değişikliklerinin daha büyük bir oranına neden olur; yani, belirli bir kayıp değişikliği için daha büyük bir faz değişikliği üretebilirler.Mach-Zehnder modülatörlerive halka modülatörlerinde genellikle deliklerin kullanılması tercih edilir.faz modülatörleri.

Çeşitlisilikon (Si) modülatörtürleri Şekil 10A'da gösterilmektedir. 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 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 alanıyla değiştirilir. Bu modülatör 50 Gb/s'yi aşan hızlarda çalışabilir ancak arka plan ekleme kaybı yüksektir. Tipik vpil 2 V-cm'dir. Bir metal oksit yarı iletken (MOS) (aslında yarı iletken-oksit-yarı iletken) modülatörü, bir pn ekleminde ince bir oksit tabakası içerir. Yaklaşık 0,2 V-cm'lik daha küçük bir VπL'ye izin vererek bir miktar taşıyıcı birikimine ve taşıyıcı tükenmesine izin verir, ancak daha yüksek optik kayıplar ve birim uzunluk başına daha yüksek kapasitans dezavantajına sahiptir. Ayrıca SiGe (silikon Germanium alaşımı) bant kenar hareketini temel alan SiGe elektrik absorpsiyon modülatörleri de bulunmaktadır. Ek olarak, emici metaller ve şeffaf yalıtkanlar arasında geçiş yapmak için grafen kullanan grafen modülatörleri de vardır. Bunlar, yüksek hızlı, düşük kayıplı optik sinyal modülasyonunu elde etmek için farklı mekanizmaların uygulama çeşitliliğini göstermektedir.

Şekil 10: Çeşitli silikon bazlı optik modülatör tasarımlarının (A) kesit diyagramı ve optik dedektör tasarımlarının (B) kesit diyagramı.

Çeşitli silikon bazlı ışık dedektörleri Şekil 10B'de gösterilmektedir. Emici malzeme germanyumdur (Ge). Ge, yaklaşık 1,6 mikrona kadar olan dalga boylarındaki ışığı emebilmektedir. Solda gösterilen, günümüzün ticari açıdan en başarılı pin yapısıdır. Üzerinde Ge'nin büyüdüğü P tipi katkılı silikondan oluşur. Ge ve Si'nin kafes uyumsuzluğu %4'tür ve dislokasyonu en aza indirmek için ilk önce tampon katman olarak ince bir SiGe katmanı büyütülür. Ge katmanının üstünde N tipi katkılama yapılır. Ortada bir metal-yarı iletken-metal (MSM) fotodiyot gösterilmektedir ve bir APD (çığ Fotodetektörü) sağda gösterilir. APD'deki çığ bölgesi, Grup III-V elementel malzemelerdeki çığ bölgesine göre daha düşük gürültü özelliklerine sahip olan Si'de yer almaktadır.

Şu anda optik kazancın silikon fotoniği ile entegre edilmesinde belirgin avantajları olan hiçbir çözüm yoktur. Şekil 11'de montaj düzeyine göre düzenlenmiş çeşitli olası seçenekler gösterilmektedir. En solda, optik kazanç malzemesi olarak epitaksiyel olarak büyütülmüş germanyumun (Ge), erbiyum katkılı (Er) cam dalga kılavuzlarının (optik pompalama gerektiren Al2O3 gibi) ve epitaksiyel olarak büyütülmüş galyum arsenitin (GaAs) kullanımını içeren monolitik entegrasyonlar bulunmaktadır. ) kuantum noktaları. Bir sonraki sütun, III-V grubu kazanç bölgesinde oksit ve organik bağlanmayı içeren levhadan levhaya düzenektir. Bir sonraki sütun, III-V grubu çipinin silikon levhanın boşluğuna yerleştirilmesini ve ardından dalga kılavuzu yapısının işlenmesini içeren çipten levhaya montajdır. Bu ilk üç sütunlu yaklaşımın avantajı, cihazın kesmeden önce levhanın içinde tamamen işlevsel olarak test edilebilmesidir. En sağdaki sütun, silikon çiplerin III-V grubu çiplere doğrudan bağlanmasının yanı sıra mercek ve ızgara bağlaştırıcıları yoluyla birleştirmeyi içeren çipten çipe montajdır. Ticari uygulamalara yönelik trend, grafiğin sağından soluna doğru daha entegre ve entegre çözümlere doğru ilerliyor.

Şekil 11: Optik kazancın silikon bazlı fotoniğe nasıl entegre edildiği. Soldan sağa doğru hareket ettikçe üretim ekleme noktası süreç içinde yavaş yavaş geriye doğru hareket eder.